沖擊載荷作用下玉米種子的有限元分析

陶 濤，魏新華

(1．揚州工業職業技術學院，江蘇 揚州 225127；2．江蘇大學 現代農業裝備與技術教育部重點實驗室，江蘇 鎮江 212013)

0 引言

玉米作為一種重要的糧食作物,其相關的生產設備一直受到人們的普遍關注[1-2]。現階段，國內玉米脫粒機械主要有傳統的沖擊式玉米脫粒機、差速式玉米脫粒機和搓式玉米脫粒機[3-5]。因為技術和成本的考慮，傳統的沖擊式玉米脫粒機依舊在國內具有廣大的市場[6]。

傳統的釘齒式玉米脫粒機通過釘齒打擊玉米果穗，使玉米籽粒產生振動和慣性力而破壞它與穗軸間的連接；在釘齒滾筒的轉動下，齒側面間和釘齒頂部與凹板弧面上的搓擦作用使玉米穗與穗間、穗與凹板間產生搓擦，從而實現脫粒[7]。由于滾筒轉速設計為700～900r/min，滾筒外緣線的速度一般為6～10m/s，從而對玉米穗損傷大，玉米籽粒破損率高[8]。為提高釘齒式玉米脫粒機在實際使用過程中脫粒效果，進一步降低脫粒過程中玉米的破損率，國內外學者對玉米種子的力學性質、損傷機理進行了深入研究。李心平[9]等通過有限元分析方法對玉米種子在靜壓載作用下不同作用部位的應力分布進行了分析，獲得了玉米種子在不同施力部位壓載作用下的微觀力學性質。

高連興[10]等通過試驗深入探明含水率對玉米種子脫粒的影響機理。李清龍[11]等通過對不同含水率和不同滾筒轉速下玉米的脫凈率和破損率的試驗研究得到了相應的規律。但是，國內對玉米籽粒的研究主要有兩種：一種是通過大量試驗研究，進行統計規律分析，這種研究需要大量物力人力；另一種是通過理論分析玉米籽粒受靜態力學下進行仿真分析。然而，玉米籽粒在實際脫粒過程中是受到隨時間變化的沖擊載荷，這種簡化研究大大簡化了計算模型，卻存在一定誤差。為此，本文采用LS-dyna專業的碰撞仿真軟件進行其瞬時受力分析，增加了結果的真實可靠性。

碰撞有限元分析已廣泛應用于農業機械設備的仿真模擬中，具有結果可靠、節約試驗成本的優點[12]。本文將利用LS-dyna專業的碰撞有限元軟件分析玉米沖擊脫粒動態過程，為釘齒式玉米脫粒機的設計提供必要的力學支撐，也為玉米脫粒機的設計和優化提供技術指導和理論依據。

1 玉米籽粒建模

玉米籽粒不是一個均質材料，為了理論分析和計算，考慮通常把角質胚乳的彈性模量作為整個籽粒的彈性模量來進行力學分析，并將模型看作各向同性的線彈性材料[13]。玉米形態特征主要包括玉米穗和玉米芯直徑，以及玉米籽粒的各個尺寸。本文以硬質玉米(見圖1)作為研究對象，針對玉米穗、玉米籽粒的尺寸(主要通過直接測量得到)，經過適當簡化，建立單個籽粒的三維實體模型，如圖2所示。

圖1 玉米籽粒外形尺寸

圖2 玉米籽粒三維圖

2 玉米籽粒碰撞仿真模擬

本文采用碰撞分析專用軟件LS-DYNA作為求解器，采用Hypermesh前處理軟件實現釘齒和玉米籽粒的碰撞分析。

2.1 玉米碰撞模型建立

釘齒式玉米脫粒機模型簡圖如圖3所示。若將整個脫粒模型作為單粒玉米碰撞模型，則增加了仿真模型復雜程度；此外，單粒玉米體積較小，接觸面積小，只需要單個釘齒幾個。因此，本文將玉米碰撞模型簡化為單粒玉米與單個釘齒的碰撞仿真。其側面、頂部、腹面仿真模型如圖4所示。

1.長軸頭 2.圓滾筒 3.釘齒 4.輪輻 5.短軸頭

2.2 網格劃分

利用Hypermesh完成網格劃分，因為模型相對簡單、網格數量較少，故仿真模型采用四面體網格劃分。其中，釘齒網格數量為11 415，玉米籽粒網格數量為16 003，模型網格化如圖5所示。

(a) 側面碰撞 (b) 腹面碰撞 (c) 頂面碰撞

圖5 仿真模型網格化

2.3 設置材料屬性

依據文獻[13]可知：硬質型玉米籽粒含水率為10%時，彈性模量為320MPa，泊松比為0.4，密度為1.418g/cm3，釘齒為鋼材料。在前處理軟件中建立模型的材料屬性，并賦予釘齒及玉米籽粒。

2.4 載荷加載、約束設置

為模擬玉米籽粒在沖擊載荷下的受力情況，設定釘齒恒定轉速(500、700、900r/min),添加輔助部件固定剛體，在剛體和釘齒之間建立腳鏈rejoin，缸體材料設置為MAT20不變形。為簡化計算，對玉米根部剛體底部施加6自由度約束，給定釘齒恒定轉速。

2.5 設置接觸

本文仿真模型相對簡單，只需要設置零件自接觸和碰撞部分的面與面接觸，利用LS-dyna關鍵字完成兩種接觸Surface to Surface和Single Surface。

2.6 控制卡片設置

利用控制卡片設置沙漏，設置timestep=6e-4ms、仿真時間t=1ms，輸出沙漏能、截面力及質量能等，最終模型如圖6所示。

圖6 Hypermesh 搭建最終模型

3 玉米籽粒仿真模擬結果分析

釘齒不同轉速下(500、700、900r/min)時，分別沖擊玉米籽粒側面、腹部、頂部，分析沖擊玉米不同位置時中截面的受力情況，側面、腹部、頂部中截面如圖7所示。不同轉速下中截面受力隨沖擊時間變化折線圖如圖8所示。

圖8中，(a)、(b)、(c)為500r/min轉速，(d)、(e)、(f)為700r/min轉速，(g)、(h)、(i)為900r/min轉速。由圖8可以看出：在釘齒打擊玉米籽粒過程中，在釘齒與玉米籽粒沖擊接觸瞬間玉米表層開始受力，經過一段時間的傳遞，中截面手里開始緩慢變化達到最大值，接著玉米籽粒變形越來越大，起到阻礙緩沖作用，受力開始變小。不同工況下玉米籽粒在某一時刻受到最大力的時間、最大作用力如表1所示。

圖7 玉米籽粒側面、頂面、腹部中截面

圖8 不同轉速下玉米籽粒側面、腹部、頂部中截面受力圖

由表1可知：不同工況下中截面受力最大的時間點不同。這是因為建立模型時釘齒與玉米籽粒的初始距離不一樣導致，但是這不影響最終結果。結合圖8折線圖，同樣發現中截面有一段受力為零的時間段，這一段時間為釘齒運動到與玉米籽粒接觸，從而導致玉米籽粒最大受力時間點不一樣。

表1 不同工況下玉米籽粒在某一時刻受到最大力的時間、最大作用力

Table 1 The time and maximum force at which corn kernels receive maximum force at a given moment under different conditions

轉速n/r·min-1沖擊部位時間/ms最大沖擊力/N500側面0.196.248頂面0.191.395腹部0.4152.26700側面0.4122.92頂面0.1125.45腹部0.3264.74900側面0.3135.75頂面0.1138.91腹部0.3364.76

最大受力曲線如圖9所示。由圖9可知：隨著轉速的增加，玉米籽粒側面、頂面、腹部受力逐漸增大。其中，玉米籽粒側面和頂面受力基本相同，腹部受力最大。這是因為腹部受沖擊時，中截面相對于側面和頂面較厚，阻擋釘齒沖擊能力較強，從而確定仿真結果與實際情況相吻合，仿真結果的可靠性。

圖9 最大受力曲線

4 結論

1)以傳統的釘齒式玉米脫粒機為研究對象，利用LS-dyna專業的碰撞有限元分析軟件對玉米沖擊脫粒動態過程進行仿真模擬，相對于ANSYS靜力學分析更加準確，相對于傳統的試驗研究降低了成本。

2)研究表明：玉米籽粒不同部位受沖擊時，受力大小不同，且隨釘齒轉速的增加，側面、頂面、腹部中截面受力逐漸增大；當釘齒轉速相同時，玉米籽粒腹部受沖擊時中截面受力最大，側面、頂面中截面受力大小相近。