基于ansys的玉米秸秆轴向压缩过程数值模拟研究.pdfVIP

基于 ANSYS 的玉米秸秆轴向压缩过程数值模拟研究 1，2 1，2∗ 1，2 1，2 廖 娜 ，韩鲁佳 ，黄光群 ，陈龙健 （1.中国农业大学 工学院，北京 100083 ； 2.现代精细农业系统集成研究教育部重点实验室，北京 100083 ） 摘 要：针对农作物秸秆具有各向异性、非匀质和非线性及其压缩过程较为复杂的特点，本研究以农大 108 玉米秸秆为对 象，三点弯曲、拉伸和压缩试验获取其弹性参数，应用ANSYS 方法建立了玉米秸秆双层复合薄壁实芯圆柱有限元结构模型， 同时在3mm/min 压缩速率下进行其轴向压缩过程的动态模拟。试验验证了玉米秸秆轴向压缩的变化过程及玉米秸秆的模拟 计算结果的可行性和计算模型的有效性。研究结果为研究农作物秸秆压缩成型特性及打捆设备的研发提供了理论依据。 关键词： ANSYS ；玉米秸秆；轴向压缩；动态模拟* 中图分类号：S216 1 有仿生结构，能承受更大的弯曲载荷；Spagnoli[11]研究 0 引 言 了几种锥形壳体在轴向载荷下的有限元模型；Dawson 我国玉米秸秆资源丰富，每年年产量达2 亿吨以 和Gibson[12]从壳的厚度、芯的厚度以及芯的结构出发， 上，其作为生物质应用主要包括生物燃料、生物肥料 利用拉格朗日优化算子推导出轴向压缩下带芯薄壁圆 和工业材料等[1] 。在生物质秸秆各项利用技术中，都 筒的最佳抗弯结构模型参数；Xu等[13]利用哈密顿双重 需要对其进行预处理，如秸秆的收获，压缩成型等， 方程研究了轴向压缩下圆柱筒局部弯曲和整体弯曲特 这些生产环节需要以植物秸秆的生物力学物理特性的 性，推导出出最佳圆柱筒的弯曲模型。 深入了解作为前提。 综上所述，目前建立的各种模型均是针对空心作物 创立于20世纪60年代后期的生物力学架起了生物 秸秆的，而对于实芯作物秸秆如玉米秸秆、甘蔗的加工 学和力学的桥梁，为秸秆的研究和应用提供了更好的 应用有一定的局限性，本文针对玉米秸秆具有各向异 理论依据。郭玉明、袁红梅和梁莉等[2-5]研究了不同品 性、非匀质和非线性特点，利用万能材料试验机测定玉 种小麦秆不同时期的弹性模量、最大抗弯强度等力学 米秸秆各种力学参数，并在玉米秸秆微观结构的基础 特性和形态特性与抗倒伏能力的关系；胡婷等[6]将 上，运用ANSYS 分析软件建立两种结构模型，同时在 Brazier屈曲理论引入小麦茎秆抗弯性能研究中，使用 一定的压力、压缩速率和保压时间下进行了其轴向压缩 双层复合材料圆柱壳模型，分析得到了纯弯曲时小麦 过程的动态模拟，为秸秆的压缩成型打捆特性和打捆设 茎秆的曲率弯矩关系；廖宜涛等[7]研究收割期芦竹底 备的研发提供理论依据。 部茎秆的机械物理特性，为芦竹切割刀具和切割方式 1 玉米秸秆模型的建立 的设计提供理论依据和基础技术参数；Nazari Galedar 等[8]研究苜蓿秆不同部位，不同水分含量下的杨氏模 1.1 玉米秸秆的结构特点 量、抗拉强度、抗弯强度等力学特性，为苜蓿的切割 据学者研究报道，秸秆结构复杂，具有明显的脉管 方式的设计提供理论依据；Ince等[9]研究向日葵秸秆不 结构特征，不同部位具有不同的细观结构。玉米秸秆表 同部位的剪切应力和弯曲应力；Ma等[10]利用有限元建 皮内有厚壁的机械组织，其特点是细胞小，排列紧密， 立了轴向压缩下竹子的两种结构模型：等效双层薄壁 无细胞间隙，在茎内连成一环。茎内其余部分全部由基 圆筒和带芯薄壁圆筒，研究结果表明带芯薄壁圆