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基于hyperpm的稻谷三维有限元模型的建立 0 稻米碰撞损伤的物理特征 水稻进入脱粒空间后，通过脱粒元的作用，水稻从水稻穗上脱下，形成自由粒，进行脱粒。在中国广泛应用钉齿滚筒的冲击脱粒是水稻谷粒(以下简称稻谷)破碎和损伤的主要源头。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: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,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。 本文通过构建稻谷与脱粒元件的有限元模型,从接触碰撞的角度,分析稻谷与脱粒元件碰撞过程中内部应力的变化,通过有限元分析获得其碰撞损伤临界速度,为揭示稻谷脱粒损伤机理以及脱粒装置的优化设计等提供依据。 1 元模型的构建 1.1 糙米壳和稻壳与糙米间的相互关系 有限元分析时可将稻谷看作为具有3层结构的椭球体,外层为稻壳,里面为糙米,糙米外层为籽实皮,其余部分为胚乳,如图1所示。稻壳与糙米之间,看作可相互移动(破壳)的有摩擦接触。本文以武粳15稻谷的实际测量平均值为例进行建模(长度L=5.983 mm,厚度H=3.541 mm,宽度B=2.512 mm,稻壳厚0.030 mm,籽实皮厚0.050 mm)。 1.2 材料单元的设置 将生成的模型保存为Iges格式,导入到Hyper Mesh中建立稻谷的有限元模型。 稻壳为等厚度独立薄壳,取其单元类型为Shell163。Shelll63是一个用于显式动力学分析4节点薄壳单元,具有弯曲和膜特征,可加平面和法向载荷,默认算法为Belytschko—Tsay单点积分的壳单元算法。 籽实皮和胚乳物理结构上是融为一体的,有限元分析时看作节点相连,取其单元为Solidl64。之所以将糙米分成籽实皮和胚乳2部分,主要是依据其力学特性不同,可方便设置其弹性模量、屈服强度等参数。实体单元Solidl64是用于三维显式结构实体单元,由8个节点构成,默认为单点积分算法,也可以在单元属性设置对话框中设置为全积分单元算法,这可以避免沙漏问题,但是计算时间将会增加数倍。同样将脱粒元件的单元类型设为Solidl64。 设置正确合理的材料属性和单元类型是进行CAE仿真分析的前提,在Hyper Mesh中可通过任意页面下的collectors/creat/mats来创建、存储和管理材料的弹性模量、泊松比、密度等参数。需要注意的是Hyper Mesh中常用的长度单位为mm,时间单位为s,质量单位为t,应力、弹性模量单位为MPa。将稻壳、籽实皮和胚乳均视为各向同性的线性弹性体,稻谷相关材料属性如表1所示。 1.3 维网格检测 网格密度分布也是重要的影响因素之一。为了保证CAE模型的质量,在使用Hyper Mesh划分网格的过程中,尤其是在由二维网格生成三维网格之前,要随时使用Tool/checkelems/2-d菜单来检查二维网格质量,对于检测到的形态不是很好的单元,可以先对其保存,然后通过2D/quality index/optimiz进行优化处理,或通过edit elements菜单中的工具进行手工局部调整。稻壳、籽实皮、胚乳的有限元网格划分如图2所示,其中稻壳由2 044个单元、4 084个节点组成;籽实皮由6 132个单元、8 168个节点组成;胚乳由5 475个单元、26 316个节点组成。 1.4 接触界面接触力 接触-碰撞属于非线性问题之一,碰撞时,垂直于接触界面的速度是瞬时不连续的。LS-DYNA程序处理接触-碰撞界面主要有动态约束法、分配参数法、对称罚函数法3种不同的算法。动态约束法采用碰撞和释放条件的节点约束法、算法复杂,目前主要用于固连界面,用来将结构网格的不协调2部分联结起来。分配参数法主要用来处理如爆炸等接触界面具有相对滑移而不可分开的问题。对称罚函数在每一时间步先检查各从节点是否穿透主表面,没有穿透则对该从节点不作处理,否则引入一个较大的界面接触力,称为罚函数值。接触力等于接触刚度K和穿透量δ的乘积,2个物体的穿透量δ与接触刚度K有关 式中,fs为罚因子,k为接触单元的体积模量,MPa。如果计算时发现有较大穿透量,可以改变fs的大小,以提高接触刚度。实践经验表明,如果罚因子fs超过1.0,可能会引起计算的不稳定。 为了分析方便,文中将脱粒元件钉齿设为固定,稻谷以一定的速度飞向脱粒元件,与之碰撞后分离。以脱粒元件表面为从面,稻谷表面为主面,接触类型为AUTOMATI