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转子铣刀茎杆切割过程仿真研究 利用LS-DYNA软件对转子铣刀进行模态分析，识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据[]。ANSYS/LS-DYNA软件介绍 ANSYS/LS-DYNA是将显示积分非线性动力分析程序LS-DYNA和ANSYS的前处理器PREP7和后处理器POST1和POST26有机结合在一起[36]。LS-DYNA是一个以显示为主，隐式为辅的通用非线性动力分析有限元程序，程序具有9种不同的单元类型和40余种金属和非金属材料模型可供选用，并允许使用用户自定义材料模型；具备强大的全自动接触分析功能以及自适应网格划分、网格自动重分、质量缩放和自循环等功能，可以求解出各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成形等非线性动力冲击问题[37-38]。 4.2转子铣刀模态分析 模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型[]。只与结构的刚度和质量及结构阻尼有关，与外在作用无关[41]。 转子铣刀采用直刀刃，刀的长度较大、转速较大，且刀刃与底壳之间的间隙太小，进行模态分析防止因共振而发生碰撞而增加能耗。 由于ANSYS/LS-DYNA软件建模相对比较复杂，将在UG建立的转子铣刀模型转化为Parasolid图形格式导入到ANSYS/LS-DYNA软件中。模态分析包括4个步骤：建模、网格划分、加载及求解、扩展模态及观察结果。 1）在UG中中建立铣刀模型，将刀体分为了切刀刃与刀体二部分，为满足下一步模型能实现扫掠网格划分的要求。 2）将模型采用Parasolid图形传送格式导入到ANSYS中，设置转子铣刀材料参数设置：在EX输入栏中设置2.06E11，在PRXY输入栏中设置0.3，设置DENS为7.85E3。网络划分采用SOLID45单元；采用自动扫掠的方法对刀刃和刀体进行网格划分。最后运用PreprocessorCoupling/CeqnCoincident Nodes将刀刃体与刀体的结合面节点耦合Subspace方法，提取模型的阶模态适合于较好的实体及壳单元组成的模型 表4-1 转子铣刀固有频率和振型 阶 次 频 率/ 振 型 1 9.02E4 2 1.02E5 续表4-1 3 1.38E5 4 1.40E5 5 1.65E5 6 1.88E5 表4-1为转子铣刀式切断刀的模态分析结果，前6阶固有频率分别为：9.02E4、1.02E5、1.38E5、1.40E5、1.65E5、1.88E5，根据转速与频率的关系：，其切断刀转速范围在1200-1500之间，故切断刀工作时频率在20-25之间，远远低于切断刀的固有频率，表明现有切断刀的结构设计，可以避免共振现象的发生。从振型上看，第一阶转子铣刀变形较少，而转子铣刀式切断刀在实际工作时很难达到第一阶振型所需的振动频率，割刀的刚度远远大于玉米茎杆。综上所述，在转子铣刀切割茎杆过程中，可以认为转子铣式切断刀未发生形变，即可将转子铣刀视为刚性体。 4.3转子铣刀茎杆切割过程仿真的实现 4.3.1仿真模型的简化 1）忽略玉米茎杆截面形状的变化、玉米节及基本组织对茎杆力学性质的影响，将玉米茎杆形状简化为等壁厚空心圆柱体，并假设玉米茎杆材料是均匀的。 2）不考虑转子铣刀在切割茎杆过程中的振动，以及地面起伏不平对切割造成的影响，假设转子铣刀式茎杆切断刀工作过程中始终处于同一平面内。 3）在实际的工作过程中 ，转子铣刀既绕着回转轴线旋转，也随着整机向前行走。在ANSYS/LS-DYNA中同时加载转动和平动这两种运动较为复杂。所以将运动简化转子铣刀切割刀绕刀轴做旋转运动，玉米茎杆沿x轴向刀割做直线运动。 4）为了节省计算时间，在建模时省略转子铣刀与刀轴的联接螺栓，截取一段刀轴体进行仿真分析，其刀轴长度为200mm；截取一段合适的玉米茎杆做仿真，玉米茎杆模型取平均值：单节高度为200，外径25，内径21； 5）根据转子铣刀切割茎杆的作业特点，玉米植株根部长在田地里，并且被拉茎辊夹持住，所以定义茎杆被切割时为双支撑方式，对玉米茎杆有限元模型施加除了沿x轴位移方向外的所有运动约束。 4.3.2仿真步骤 1）单元及材料属性设置：转子铣刀与玉米茎杆单元都选为SOLID164单元，此单元被用于三维的显示结构实体，是八个节点。节点在x、y、z方向的平移、速度和加速度自由度。计算方式采用单点积分，较全积分方式计算速度快，求解时需要注意控制沙漏能。 玉米茎杆材料模型结合前面试验分析选为线弹性横观各向同性材料（正交各异性材料的一种特殊形式），其材料属性参数如图4-3所示。在转子铣刀工作过程中，可以不考虑转子铣刀的变形，并且转子铣刀的刚度要远远大于玉米茎杆，所以将转子铣刀定为刚性体，可以大幅度减少计算