基于有限元法的锯齿式芦竹切割器切割机理研究

作为农作物生产系统的重要生物资源之一的作物茎秆，可分为高粗茎秆和矮细茎秆两大类。高粗茎秆作物因其生物特性和生长机理的不同，生物质资源产量明显高于矮细茎秆作物，但其茎杆的硬度和刚度大，手工收割劳动强度大，机械收割又暂无合适的机型，开展其机械化收割装备的研究具有重要的现实意义。国内外文献报道表明以往的研究侧重于收割机中切割器工作原理和结构参数的研究，未对在载荷作用下茎秆切割过程中的弹性、塑性应力与应变等物理现象作深入研究。本课题以芦竹为研究对象，以华中农业大学工程技术学院芦竹机械化收割课题组研制的锯齿链式芦竹收割机的切割器为基础，通过理论分析与试验相结合，应用有限元数值模拟技术开展芦竹切割过程的动态模拟，分析芦竹的切割规律，为芦竹收割机切割器的设计提供技术支撑，并为高粗茎秆作物的机械化收获装备的研发提供新的研究方法和理论依据，对开展茎秆作物收获和加工装备的研究具有重要的理论价值和实际应用价值。主要研究内容包括： （1）试验测定并分析了收获期芦竹底部茎秆的几何参数和物理力学参数。包括：①统计测量底部茎秆的平均节间距、内外径、节隔厚度等几何参数；②测定收获期芦竹含水率在11.4％—17.8％范围内，密度约为0.55g／cm3：③测定了收获期的芦竹底部茎秆的顺纹拉伸、压缩、弯曲的破坏应力和弹性模量。试验分析得出芦竹材料呈现一定的非线性、脆断性、横观各向同性；确定了芦竹的12个弹性力学特性常数，推导出了芦竹的弹性矩阵常数。 （2）运用理论分析、高速摄影和有限元法相结合的方法，分析了芦竹的切割过程，确定了切割过程数值模拟的相关算法，建立了模拟芦竹锯切过程的有限元模型。包括：①芦竹切割过程分为动刀片上锯齿钳住芦竹、嵌入芦竹、切割芦竹等三个阶段的确定及其锯片受力情况的分析；②芦竹材料的弹性系数矩阵和依据米塞斯屈服准则下弹塑性材料的本构方程的构建；③基于ANSYS／LS—DYNA的切割模型的建立及其用以求解有限元模型K文件的获取。研究结果揭示了芦竹切割过程的规律，建立了基于显式动力学的芦竹切割过程的有限元法模拟模型，为后续切割过程的数值模拟与分析奠定了基础。 （3）开展了芦竹锯切过程动态模拟验证试验与分析，确定了一定工况下链式锯齿型切割器运行参数的优化组合。研究结果表明基于ANSYS／LS—DYNA切割模型有效，该计算方法可行；结合数字模拟和试验验证得出不同速度下锯齿上最大应力、最大功率、平均功率、单根芦竹切断能量的回归曲线，确定了切割器工作时前进速度与切割速度的匹配关系。