紅花分枝力學特性測試及運動分析

孫胃嶺 ，曹衛彬，楊 萌，李樹峰，牛 馳，陳棒棒，古樂樂，崔財豪

(石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000)

0 引言

紅花是集藥材、飼料、染料、油料為一體的經濟作物，花入藥，有活血通經、散瘀止痛之功效，是一種名貴的中藥材和油料作物[1]。紅花產業具有廣闊的市場前景，目前紅花絲的采摘均為人工采摘，勞動成本高、采摘效率低，極大地限制了紅花的產業化發展。因此，實現紅花絲的機械化采收是解決紅花產業化發展和提高農民收益的關鍵。

國內外學者提出了切割式、氣力式及氣力-切割式紅花絲采摘方式，對相關的紅花植株物料特性進行了研究，主要集中在紅花植株各部分間的抗拉力和花絲懸浮速率兩方面，對于紅花分枝力學特性的研究鮮見報道[2-4]。本課題組提出的滾筒式花絲采摘機，其工作原理為喂入裝置調整分枝運動姿態，改變種球喂入采摘裝置角度，從而使種球上的花絲喂入采摘裝置實現花絲采摘，減少因種球喂入角度不當而導致花絲無法喂入的現象，因此研究喂入過程中分枝運動姿態及其端部種球的喂入角度對滾筒式紅花絲采摘裝置的研發具有重要意義。

基于材料變形體積不可壓縮和材料連續性假設，本文對紅花分枝的彎曲力學特性進行分析，結合分枝的力學特性，根據采摘機采摘原理對分枝和種球與喂入裝置進行剛柔耦合的動力學仿真，分析了喂入裝置不同轉速下分枝和種球的運動特性。

1 試驗材料和方法

1.1 材料的采集和處理

采樣地點在石河子大學機電學院試驗田，采集紅花為新疆區域主栽品種無刺紅花。通過紅花田間形態學數據統計，在花絲最佳采摘期內分枝的含水率變化不大，分枝的平均含水率61%，分枝直徑范圍為4.3～6.7mm。力學測試對象如圖1所示。

1.花絲 2.種球 3.分枝 4.莖稈

紅花處于適采期時進行樣本取樣，方法為隨機取樣，所采分枝盡可能通直且無病蟲害。為盡量避免對分枝的機械損傷，在與莖干結合處刈割，去掉種球和葉子，將分枝作為試驗材料。試件分枝長度均為200mm，進行編號分組，每組樣本11個，保鮮膜密封并立刻送到實驗室在4℃保存[5-7]。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗儀器

高特威爾DF-8000動態疲勞試驗機，精密等級為0.5級，力量分辨率和行程分辨率均為16bit，訊號處理器U65A；MA35水質分析儀(賽多利斯MA系列)；數顯游標卡尺，精度為0.02mm；電動剪。

1.2.2 試驗過程

根據GB/T1936.1木材抗彎強度試驗和GB/T1936.2木材抗彎彈性模量的測試方法，進行三點彎曲試驗的設計。在DF-8000動態疲勞試驗機上進行試驗，試驗機包括試驗機本體與電腦軟件兩部分。加載探頭和兩個固定支撐點半徑均為3mm，加載速度15mm/min，標距30mm。首先雙擊電腦試驗圖標，進入試驗軟件界面，選擇試驗方案，輸入該試驗的用戶參數，如試件直徑、標距及行程；其次，安裝夾具和探頭，將試件水平放在夾具上，調整試驗機探頭至試件上方20mm處。為保證數據準確，注意在探頭上的力傳感器接觸到試件時力要歸零。

根據試驗方案更換試件，待試件折斷后，計算機輸出最大負荷及應力應變等數據,通過每組的平均直徑及最大彎曲應力計算彈性模量E。三點彎曲試驗如圖2所示。

圖2 三點彎曲試驗Fig.2 Three point bending test

2 試驗結果及分析

2.1 分枝彎曲力學特性

從試驗樣機附帶軟件中輸出力-位移圖，如圖3所示。試驗開始時，當探頭接觸到試件，計算機系統開始采集數據點并繪制載荷位移曲線。在初始階段可以看出：試樣在中間壓力的作用下出現明顯的線性階段。這表明，材料彎曲彈性階段特性符合胡可定律。當壓力達到屈服載荷后，分枝發生屈服，且屈服階段會維持一段時間；隨著位移的增加，載荷會逐漸減小。

圖3 彎曲試驗載荷位移曲線Fig.3 The curve of load-displacement for bend test

因紅花分枝屬于纖維層增強型復合型材料，其截面近似圓形，為簡化計算按各向同向材料處理，莖稈的彈性模量是反應彈性變形難易程度的重要力學指標。三點彎曲試驗截面慣性矩計算公式為

(1)

彈性模量計算公式為

(2)

其中，F為加載載荷(N)；l為標距(mm)；y為試件中點的彎曲撓度(mm)；I為截面對中性軸的慣性矩(mm4)；d為莖稈直徑(mm)。

抗彎截面系數計算公式為

(3)

最大應力計算公式為

(4)

其中，Fmax為分枝承受的最大載荷(N)；w為抗彎截面系數(mm3)。

2.2 分枝力學性能指標

將11次試驗中分枝彈性變形階段終止時的加載載荷提取出來，并記錄此時試件中點彎曲的撓度，通過公式(1)和公式(2)分別計算各試件的彈性模量E和最大應力單位(抗彎強度)σmax。試驗結果表明：在含水率差異不大的情況下，試件的彈性模量E無明顯變化，平均值為90.236 7MPa；抗彎強度最大值為30.395 4N/mm2，最小值為21.664 1N/mm2，平均值為24.589 4N/mm2；抗彎強度與直徑有明顯的關系，隨著直徑的減小，抗彎強度逐漸減小。

3 紅花植株運動分析

3.1 運動模型分析

為簡化問題，對分枝和種球作如下假設：

1)處于自然狀態下的分枝與種球均為直立狀態，忽略其彎曲下垂；

2)分枝下端到上端各處截面尺寸線性遞減而后遞增，為各項同性的柔性體；

3)忽略紅花葉片、種球、其他分枝及外界因素對所分析的分枝的運動干涉問題。

分枝簡化模型如圖4所示。圖4中，1為采摘裝置，2為喂入裝置。采摘機在以v(m/s)的速度向前行走，喂入裝置以w(r/min)的速度旋轉。采摘機工作原理：分枝首先受到喂入裝置的旋轉沖擊發生彎曲，當喂入裝置掠過受到沖擊的分枝時，分枝改變空間姿態發生回彈現象，并帶動種球以一定角度喂入采摘裝置。其中，h為喂入裝置旋轉中心與分枝末端的相對高度。本文僅對單個分枝及其端部種球進行分析。在采摘過程中，紅花分枝的運動狀態共分為兩個階段：一是自然直立的分枝在旋轉的喂入裝置沖擊作用下產生瞬時彈性碰撞，分枝受到喂入裝齒摟齒末端的沖擊作用，彎曲、傾斜并儲備彈性勢能；二是喂入裝置摟齒末端遠離分枝，分枝釋放彈性勢能，發生回彈現象并帶動種球以一定角度喂入采摘裝置。

圖4 分枝簡化運動模型Fig.4 Simplified motion model of Branches

3.2 剛柔耦合動力學的模型建立

3.2.1 ANSYS與LS-DYNA協同仿真

ANSYS/LS-DYNA軟件同時具有ANSYS軟件強大的前后處理功能和 LS-DYNA軟件非線性求解功能的特點，采用LS-Prepost的后處理器可直接讀取LS-DYNA的計算結果并進行數值分析，是非線性動力學分析中尤其是沖擊分析中的典型分析軟件，可連續動態地、重復地顯示事物的發展，了解其整體與局部的細致過程。

在喂入過程中，摟齒末端對分枝產生碰撞，材料為剛性體的夾片將速度載荷加載到柔性材料的分枝上，兩個物體之間的碰撞可簡化為非線性瞬態動力學問題，分枝及端部的種球可假定為一端固定的懸臂梁，其自由端為種球，運動包含了瞬時柔性碰撞及自由端大變形和自由端回彈的問題，因此在分析過程中不可忽略慣性效應和碰撞速度載荷作用。為更加準確地模擬摟齒末端與分枝的碰撞過程，本文在ANSYS/LS-DYNA協同仿真的軟件平臺上，采用耦合求解的方法對采摘過程中摟齒末端與分枝的有限元模型進行顯式動力學分析，并分析關鍵因素對種球及分枝空間姿態的影響[8-9]。

3.2.2 顯示動力學模型建立

在NX10.0中，對紅花分枝、種球及喂入裝置的簡化模型進行三維建模并創建初始相對位置。為減少計算時間，將摟齒末端與分枝的初始間隙設定為0.5mm，即夾片在0.5mm處開始運動至與分枝接觸。將上述模型導入ANSYS中的Explicit Dynamics(LS-DYNA Export)模塊，指定分枝材料參數，彈性模量E為90.236 7MPa，泊松比μ為0.3，密度為450kg/m3，材料屬性為柔性體，種球密度為650kg/m3，材料屬性為剛性體，喂入裝置為剛性體材料。根據抗彎強度選取合適的單元類型，對模型進行網格劃分，對分枝局部網格劃分，以更加準確地描述分枝的運動。分枝與種球之間添加bonded約束，喂入裝置與分枝間添加frictionless約束，以避免仿真過程中發生結構穿透；分枝底端為固定端，添加固定約束，種球為自由端；設定喂入裝置的行走速度及轉速，設置分析參數，更新程序并得到動力學分析命令流K文件。

在Mechanical APDL Product Launcher 中加載K文件，選擇LS-DYNA Solver求解環境，輸出用于LS-Prepost后處理程序的結果文件d3plot，分析數值計算結果。紅花植株與采摘裝置的簡化顯示動力學模型如圖5所示。

3.3 分枝及種球運動姿態分析

3.3.1 虛擬試驗方案

田間作業時，紅花種球位置高低及分枝長短不一，為保證多數種球上的花絲得到采摘，喂入裝置的安裝位置相對地面保持固定，即喂入裝置旋轉中心與分枝末端的相對高度h不變，設定h=25mm；采摘機行走速度v對紅花植株運動姿態的影響在本文中不做研究，設定v=0.5m/s。

分枝與摟齒末端發生彈性碰撞的程度取決于碰撞時摟齒施加給分枝的速度載荷，該速度載荷的大小及方向與喂入裝置的的轉速w密切相關。分析不同轉速w對分枝及種球的運動特性的影響并進行單因素試驗，虛擬試驗表如表1所示。

圖5 剛柔耦合動力學模型Fig.5 Rigid-flexible coupled dynamic model

表1 虛擬試驗表Table 1 Factor level's table of virtual experiment

3.3.2 虛擬試驗結果分析

在ANSYS/LS-DYNA平臺上根據表1進行虛擬試驗,在w=30r/min追蹤種球中心單元節點236的運動路徑，如圖6坐標系下的曲線A-B-C。其中，A點為起始點，B點和C點分別為分枝喂入過程第1階段和第2階段終止時種球位置,在摟齒的干涉下種球并沒有按初始路徑返回。D點為分枝與種球的結合面的中心節點，L為D處節點的撓度，用以描述分枝的運動姿態；α為種球的轉角，用以描述種球的喂入角度；v為種球彈向采摘裝置時的喂入速度。

在LS-Prepost處理程序中分別提取4次試驗中236節點在X、Y、Z這3個方向的位移、速度和加速度。圖7為236節點3個方向的位移，圖8為238節點3個方向的速度，可以看出種球在Y方向運動微小，故在以下計算中忽略不計。假設分枝及種球在XOZ面做平面運動，對圖6的虛擬運動模型進行等效三角形變換，進而計算出不同轉速下分枝的撓度與轉角。同時，根據矢量法求解種球喂入采摘裝置的速度v，其計算結果如表2所示。

圖6 虛擬運動姿態Fig.6 The motion pose of virtual brunch and seed ball

圖7 236節點在X、Y、Z方向的位移Fig.7 The displacement of Node 236 in X、Y、Z direction

圖8 236節點在X、Y、Z方向的速度Fig.8 The velocity of Node 236 in X、Y、Z direction

表2 虛擬試驗結果Table 2 The result of virtual experiment

續表2

試驗分析表明：隨著喂入裝置轉速的增大，分枝撓度、分枝轉角逐漸增大，但增幅減小；種球喂入速度以穩定變化率增大。仿真結果真實地反應了喂入裝置與紅花分枝及種球的作用過程。

4 結論

基于ANSYS與LS-DYNA協同仿真平臺，根據收獲期紅花分枝及種球的力學特性分析，在 ANSYS 中建立了玉米莖稈的柔性體分析模型。參考實際采摘過程，建立了紅花分枝及種球與紅花絲采摘機喂入裝置的剛柔耦合力學模型，通過模型的仿真及計算機虛擬試驗，研究了喂入裝置在不同轉速對分枝及種球喂入姿態的影響，為進一步進行喂入裝置和紅花絲采摘機的結構優化提供了依據。