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第 27 卷 第 10 期 农 业 工 程 学 报 Vol.27 No.10 2011 年 10 月 Transactions of the CSAE Oct. 2011 27 稻谷与钉齿碰撞损伤的有限元分析 徐立章，李耀明 （江苏大学现代农业装备与技术省部共建教育部重点实验室，江苏省农业装备与智能化高技术研究重点实验室，镇江 212013 ） 摘 要：建立了稻谷 3 层椭球体结构 CAD 模型，在前处理软件 HyperMesh 中划分网格，设置单元、材料属性和接触碰 撞参数，生成了稻谷的有限元模型。利用 LS-DYNA 软件仿真分析了稻谷与钉齿碰撞过程，仿真结果表明：碰撞接触区 为椭圆，受压应力作用，区域中心处应力值最大。籽实皮和胚乳的 Von Mises 等效应力值随碰撞速度的增加逐步增大。稻 谷与钉齿碰撞时，胚乳达到临界 Von Mises 等效应力值 31.68 MPa 对应的临界速度为 24.2 m/s ，而籽实皮碰撞损伤的临界 速度要大得多。稻谷与钉齿碰撞形成宏观应力裂纹是从胚乳中心或近中心扩展而成的。 关键词：农产品，有限元分析方法，力学，水稻谷粒，脱粒，冲击，损伤 doi ：10.3969/j.issn.1002-6819.2011.10.005 中图分类号：S225.4 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2011)-10-0027-06 徐立章，李耀明. 稻谷与钉齿碰撞损伤的有限元分析[J]. 农业工程学报，2011，27(10)：27－32. Xu Lizhang, Li Yaoming. Finite element analysis on damage of rice kernel impacting on spike tooth[J]. Transactions of the CSAE, 2011, 27(10): 27 －32. (in Chinese with English abstract) 其余部分为胚乳，如图 1 所示。稻壳与糙米之间，看作 0 引 言 可相互移动（破壳）的有摩擦接触。本文以武粳 15 稻谷 水稻进入脱粒空间后，稻谷在脱粒元件作用下从稻 的实际测量平均值为例进行建模(长度 L=5.983 mm，厚度 穗上脱落下来形成自由籽粒实现脱粒。在中国广泛应用 H=3.541 mm ，宽度 B=2.512 mm，稻壳厚 0.030 mm，籽 钉齿滚筒的冲击脱粒是水稻谷粒（以下简称稻谷）破碎 实皮厚 0.050 mm) 。 和损伤的主要源头[1] 。有损伤的稻谷种子发芽率低、易生 虫、霉变，干燥时易爆腰和加工时碎米增多，直接影响 其经济价值和出口竞争力。 以应力裂纹为主要型式的稻谷内部损伤比较隐蔽，相 关研究没有得到足够的重视。目前国内外关于水稻脱粒损 伤以试验研究为主，如 Mitchell 和 Rounthwaite 通过试验 发现[2-4] ：湿度提高时，破碎率减少；打击速度增加时破碎 率则成比例增加。有的学者提出用装有梳刷柔性齿的橡胶 滚筒代替传统钢制滚筒[5] ，延长脱粒时间，试验证明对水 稻、小麦有一定的适应性。上述研究缺少对脱粒元件和谷 粒间作用过程的分析，无法揭示稻谷碰撞损伤的机理。 1. 稻壳 2. 籽实皮 3. 胚乳 本文通过构建稻谷与脱粒元件的有限元模型，从接触 图1 稻谷3 层CAD 模型 碰撞的角度，分析稻谷与脱粒元件碰撞过程中内部应力的 Fig.1 Compu