冲击载荷作用下玉米种子的有限元分析

陶 涛，魏新华

(1．扬州工业职业技术学院，江苏 扬州 225127；2．江苏大学 现代农业装备与技术教育部重点实验室，江苏 镇江 212013)

0 引言

玉米作为一种重要的粮食作物,其相关的生产设备一直受到人们的普遍关注[1-2]。现阶段，国内玉米脱粒机械主要有传统的冲击式玉米脱粒机、差速式玉米脱粒机和搓式玉米脱粒机[3-5]。因为技术和成本的考虑，传统的冲击式玉米脱粒机依旧在国内具有广大的市场[6]。

传统的钉齿式玉米脱粒机通过钉齿打击玉米果穗，使玉米籽粒产生振动和惯性力而破坏它与穗轴间的连接；在钉齿滚筒的转动下，齿侧面间和钉齿顶部与凹板弧面上的搓擦作用使玉米穗与穗间、穗与凹板间产生搓擦，从而实现脱粒[7]。由于滚筒转速设计为700～900r/min，滚筒外缘线的速度一般为6～10m/s，从而对玉米穗损伤大，玉米籽粒破损率高[8]。为提高钉齿式玉米脱粒机在实际使用过程中脱粒效果，进一步降低脱粒过程中玉米的破损率，国内外学者对玉米种子的力学性质、损伤机理进行了深入研究。李心平[9]等通过有限元分析方法对玉米种子在静压载作用下不同作用部位的应力分布进行了分析，获得了玉米种子在不同施力部位压载作用下的微观力学性质。

高连兴[10]等通过试验深入探明含水率对玉米种子脱粒的影响机理。李清龙[11]等通过对不同含水率和不同滚筒转速下玉米的脱净率和破损率的试验研究得到了相应的规律。但是，国内对玉米籽粒的研究主要有两种：一种是通过大量试验研究，进行统计规律分析，这种研究需要大量物力人力；另一种是通过理论分析玉米籽粒受静态力学下进行仿真分析。然而，玉米籽粒在实际脱粒过程中是受到随时间变化的冲击载荷，这种简化研究大大简化了计算模型，却存在一定误差。为此，本文采用LS-dyna专业的碰撞仿真软件进行其瞬时受力分析，增加了结果的真实可靠性。

碰撞有限元分析已广泛应用于农业机械设备的仿真模拟中，具有结果可靠、节约试验成本的优点[12]。本文将利用LS-dyna专业的碰撞有限元软件分析玉米冲击脱粒动态过程，为钉齿式玉米脱粒机的设计提供必要的力学支撑，也为玉米脱粒机的设计和优化提供技术指导和理论依据。

1 玉米籽粒建模

玉米籽粒不是一个均质材料，为了理论分析和计算，考虑通常把角质胚乳的弹性模量作为整个籽粒的弹性模量来进行力学分析，并将模型看作各向同性的线弹性材料[13]。玉米形态特征主要包括玉米穗和玉米芯直径，以及玉米籽粒的各个尺寸。本文以硬质玉米(见图1)作为研究对象，针对玉米穗、玉米籽粒的尺寸(主要通过直接测量得到)，经过适当简化，建立单个籽粒的三维实体模型，如图2所示。

图1 玉米籽粒外形尺寸

图2 玉米籽粒三维图

2 玉米籽粒碰撞仿真模拟

本文采用碰撞分析专用软件LS-DYNA作为求解器，采用Hypermesh前处理软件实现钉齿和玉米籽粒的碰撞分析。

2.1 玉米碰撞模型建立

钉齿式玉米脱粒机模型简图如图3所示。若将整个脱粒模型作为单粒玉米碰撞模型，则增加了仿真模型复杂程度；此外，单粒玉米体积较小，接触面积小，只需要单个钉齿几个。因此，本文将玉米碰撞模型简化为单粒玉米与单个钉齿的碰撞仿真。其侧面、顶部、腹面仿真模型如图4所示。

1.长轴头 2.圆滚筒 3.钉齿 4.轮辐 5.短轴头

2.2 网格划分

利用Hypermesh完成网格划分，因为模型相对简单、网格数量较少，故仿真模型采用四面体网格划分。其中，钉齿网格数量为11 415，玉米籽粒网格数量为16 003，模型网格化如图5所示。

(a) 侧面碰撞 (b) 腹面碰撞 (c) 顶面碰撞

图5 仿真模型网格化

2.3 设置材料属性

依据文献[13]可知：硬质型玉米籽粒含水率为10%时，弹性模量为320MPa，泊松比为0.4，密度为1.418g/cm3，钉齿为钢材料。在前处理软件中建立模型的材料属性，并赋予钉齿及玉米籽粒。

2.4 载荷加载、约束设置

为模拟玉米籽粒在冲击载荷下的受力情况，设定钉齿恒定转速(500、700、900r/min),添加辅助部件固定刚体，在刚体和钉齿之间建立脚链rejoin，缸体材料设置为MAT20不变形。为简化计算，对玉米根部刚体底部施加6自由度约束，给定钉齿恒定转速。

2.5 设置接触

本文仿真模型相对简单，只需要设置零件自接触和碰撞部分的面与面接触，利用LS-dyna关键字完成两种接触Surface to Surface和Single Surface。

2.6 控制卡片设置

利用控制卡片设置沙漏，设置timestep=6e-4ms、仿真时间t=1ms，输出沙漏能、截面力及质量能等，最终模型如图6所示。

图6 Hypermesh 搭建最终模型

3 玉米籽粒仿真模拟结果分析

钉齿不同转速下(500、700、900r/min)时，分别冲击玉米籽粒侧面、腹部、顶部，分析冲击玉米不同位置时中截面的受力情况，侧面、腹部、顶部中截面如图7所示。不同转速下中截面受力随冲击时间变化折线图如图8所示。

图8中，(a)、(b)、(c)为500r/min转速，(d)、(e)、(f)为700r/min转速，(g)、(h)、(i)为900r/min转速。由图8可以看出：在钉齿打击玉米籽粒过程中，在钉齿与玉米籽粒冲击接触瞬间玉米表层开始受力，经过一段时间的传递，中截面手里开始缓慢变化达到最大值，接着玉米籽粒变形越来越大，起到阻碍缓冲作用，受力开始变小。不同工况下玉米籽粒在某一时刻受到最大力的时间、最大作用力如表1所示。

图7 玉米籽粒侧面、顶面、腹部中截面

图8 不同转速下玉米籽粒侧面、腹部、顶部中截面受力图

由表1可知：不同工况下中截面受力最大的时间点不同。这是因为建立模型时钉齿与玉米籽粒的初始距离不一样导致，但是这不影响最终结果。结合图8折线图，同样发现中截面有一段受力为零的时间段，这一段时间为钉齿运动到与玉米籽粒接触，从而导致玉米籽粒最大受力时间点不一样。

表1 不同工况下玉米籽粒在某一时刻受到最大力的时间、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

转速n/r·min-1冲击部位时间/ms最大冲击力/N500侧面0.196.248顶面0.191.395腹部0.4152.26700侧面0.4122.92顶面0.1125.45腹部0.3264.74900侧面0.3135.75顶面0.1138.91腹部0.3364.76

最大受力曲线如图9所示。由图9可知：随着转速的增加，玉米籽粒侧面、顶面、腹部受力逐渐增大。其中，玉米籽粒侧面和顶面受力基本相同，腹部受力最大。这是因为腹部受冲击时，中截面相对于侧面和顶面较厚，阻挡钉齿冲击能力较强，从而确定仿真结果与实际情况相吻合，仿真结果的可靠性。

图9 最大受力曲线

4 结论

1)以传统的钉齿式玉米脱粒机为研究对象，利用LS-dyna专业的碰撞有限元分析软件对玉米冲击脱粒动态过程进行仿真模拟，相对于ANSYS静力学分析更加准确，相对于传统的试验研究降低了成本。

2)研究表明：玉米籽粒不同部位受冲击时，受力大小不同，且随钉齿转速的增加，侧面、顶面、腹部中截面受力逐渐增大；当钉齿转速相同时，玉米籽粒腹部受冲击时中截面受力最大，侧面、顶面中截面受力大小相近。