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解析移树机振动切削有限元和参数优化

2020-04-05 180 上传者：管理员

摘要：移树机的主要工作部件是刀具，对振动式移树机刀具振幅、频率和切削速度的正确选择可以很好地减少切削土壤时的切削阻力。应用有限元分析软件ANSYS/LS－DYNA对移树机弧形刀具振动切削过程做了有限元仿真，通过对不同振动参数下刀具与土体在切削过程中的应力变化情况以及切削过程中的切削阻力进行分析，从而利用正交试验法选择最好的振动参数，尽而减少切削阻力。

关键词：
切削阻力
弧形刀具
有限元仿真
正交试验法
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1、研究背景

移树机是一种用来进行树木移植的机械。移树机种类繁多，常见的移树机有直铲式移树机和U型铲移树机两种[1]。直铲式移树机体型庞大、价格昂贵、维修不便，不适合我国的林业国情。振动式U型铲移树机具有体积较小、操作简便、价格适中的特点，适合在我国推广[2]。U型铲移树机三维模型如图1所示，刀具在切削土壤时阻力较大，应用振动减阻机理匹配最佳切削参数可以有效降低刀具在切削土壤时的切削阻力[3]。

2、移树机弧形刀具振动切削土壤有限元分析

LS－DYNA是一款通用显示动力分析程序，适用于求解各种非线性结构冲击动力学问题。AN－SYS/LS－DYNA是一款结合了LS－DYNA强大的显示动力分析方法与ANSYS前后处理功能的软件[4]。本文主要研究移树机弧形刀具振动切削过程中，振幅、频率、切削速度对切削阻力的影响。移树机弧形刀具材料为钢，弹性模量为2.1×1011Pa，泊松比为0.288，密度为7.8×103kg/m3。单元定义为LS－DYNAExplicit单元SHELL163，为减少沙漏能，采用全积分的壳单元算法。刀具半径0.615m，宽度0.2m，厚度0.015m。土体材料选用LS－DYNA的147号材料，即MAT147（MAT＿FHWA＿SOIL）材料模型。这是一种考虑损坏的各向同性材料，采用改进的Mohr－Cou－lomb屈服准则。部分土体参数设置见表1，其余参数参照LS－DYNA971用户手册默认值进行选取。土体单元定义为SOLID164单元，这是一种8节点六面体单元，为了降低沙漏能，采用全积分算法[5]。模型为3m×3m×1.5m的矩形体，刀具及土体有限元模型如图2所示。

图2 土体和刀具有限元模型

表1 部分土壤参数

移树机弧形刀具振动切削土壤的运动过程包括绕轴旋转和自身的振动。为防止刀具上的两种载荷相互干扰，在刀具上添加振动载荷，在土体上施加旋转载荷。刀具的振动频率为20Hz，振幅为0.005m。土壤的旋转速度为0.035rad/s。刀具约束为除沿y轴移动外的5个自由度，土体约束为除绕Z轴旋转的5个自由度。分析设置土体范围为无限大，为避免边界处波反射对求解域的影响，在土体表面施加无反射边界条件。在刀具切削土壤的过程中，定义刀具与土壤之间的接触为面面侵蚀接触（ESTS），将刀具定义为接触部件（Contact），土体定义为目标部件（Target）。定义求解时间为5，生成k文件，递交ANSYS/LS－DYNA进行求解。利用ANSYS/LS－DYNA专用的后处理软件LS－PREPOST可以打开求解器生成的d3plot文件，用来观察刀具切削土体过程，土体应力云图如图3所示。

图3 刀具切削土体应力云图

利用LS－PREPOST可以观察切削过程中刀具、土壤单元的应变情况及两者之间的切削阻力。选取刀具中心处单元（S14415）及刀具边缘单元（14402）观测切削过程中的切削应力，如图4（a）、图4（b）所示。其中，刀具中心处的最大切削应力为79.5MPa，平均切削应力为16.1MPa；刀具边缘处的最大切削应力为26.9MPa，平均切削应力为6.8MPa。

图4 刀具单元应力变化

选取刀具中心及边缘处对应土体单元（H6730、H4484）观查其在切削过程中的应力变化，如图5（a）、图5（b）所示。其中，中心处土体单元的最大应力为1.4MPa，平均应力为0.55MPa；边缘处土体单元的最大应力为0.43MPa，平均应力为0.19MPa。

图5 土体单元应力变化

刀具和土体间切削阻力如图6所示。切削阻力最大值为46.4kN，平均切削阻力为19.9kN。

3、正交试验

正交试验法是一种用“正交表”来安排和分析多因素问题试验的数理统计方法[6]。选取移树机弧形刀具振动切削土壤过程中刀具的振幅、频率、切削速度三个变量作为正交表的三个因素，每个因素选取三个水平，因素水平见表2。本次实验有三个因素、三个水平，选用L9（34）正交表安排试验计划，见表3。

图6 刀具与土壤间切削阻力变化

表2 因数水平

表3 试验计划

ANSYS－LSDYNA中进行上述9组试验，记录计算得到的切削阻力，试验结果见表4。

表4 试验结果

对上述结果进行极差分析，见表5。

表5 极差分析

4、结论

根据极差R的数据分析，极差值的大小顺序依次是振幅大于频率大于切削速度，因此刀具切削土壤阻力影响因素的大小依次是振幅大于频率大于切削速度。其中频率从20Hz增大到25Hz，切削阻力减小22.3%；振幅从5mm增大到7mm，切削阻力减小10.2%；切削速度从0.035rad/s减小到0.03rad/s，切削阻力减小5.5%。综上所述，最优振动切削参数为频率25Hz、振幅7mm、切削速度0.03rad/s，即第9组试验，最佳振动参数下的平均切削阻力为12.0kN。原振动参数（频率20Hz、振幅5mm、切削速度0.035rad/s）平均切削阻力为19.9kN，减小了39.7%。

参考文献：

[1]赵德金,郭艳玲,宋文龙.国内外树木移植机械的研究现状与发展趋势[J].安徽农业科学,2014(18):6064-6067.

[2]李伟,郭克君,王成达,等.树木挖掘机U型挖树铲的仿真分析[J].林业机械与木工设备,2016(3):12-15.

[3]朱建新.液压挖掘机振动掘削机理及其过程优化建模与智能控制策略研究[D].长沙:中南大学,2008.

[4]苏建宇,尚晓江.ANSYS/LS-DYNA动力分析方法与工程实例[M].北京:中国水利水电出版社,2006.

[5]马爱丽,廖庆喜,田波平,等.基于ANSYS/LS_DYNA的螺旋刀具土壤切削的数值模拟[J].华中农业大学学报,2009(2):248-252.

[6]王庆田.正交试验法[M].沈阳:辽宁教育出版社,1987.

杨育鑫,滕儒民,王殿龙.移树机振动切削有限元分析及参数优化[J].林业机械与木工设备,2019,47(5):24-27.