一种建立模拟玉米果穗动力接触的有限元模型的方法

摘要

一种建立模拟玉米果穗动力接触的有限元模型的方法，包括（1）建立玉米果穗模型；（2）建立有限元模型：a、建立冲头模型；b、对冲头模型、玉米果穗模型中的玉米芯和米籽粒划分网格；c、采用推力计测得实际玉米果穗中A缝玉米籽粒间的挤压力、B缝玉米籽粒间的挤压力、沿玉米芯轴线方向的玉米籽粒间的挤压力以及玉米籽粒的果柄与玉米芯的连接力，根据推力计的测量结果，玉米芯和玉米籽粒各网格中的节点处通过点焊模拟建立作用力的大小。本发明基于玉米果穗籽粒的生长排列特性，建立了玉米果穗模型和有限元模型，通过动力接触分析，得到玉米果穗在冲头作用下的应力分布传递规律、籽粒散落机理，为改进脱粒工艺、优化脱粒装置提供依据。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于模拟玉米果穗实际脱粒冲击的模型建立方法，具体的说是一种建立模拟玉米果穗动力接触的有限元模型的方法。

背景技术

玉米是我国主要粮食作物之一。玉米脱粒原理主要有冲击、揉搓、梳刷、碾压、挤搓等，其中冲击脱粒是目前国内玉米最常用脱粒方法，玉米籽粒脱粒破损率直接影响玉米的储存、种子生产等方面，因此，选择合适的脱粒工艺和脱粒装置可降低玉米籽粒的破碎率。

目前，国内外基于玉米果穗脱粒过程的研究主要有离散元法、试验法，如于亚军等采用离散元法提出的基于颗粒聚合体的玉米果穗分析模型建模方法（于亚军，周海玲，付宏等.基于颗粒聚合体的玉米果穗建模方法[J].农业工程学报，2012，28（8）：167~174），是将整个玉米芯分为若干球连接而成的玉米芯小块，每个小块上生长一定数量的玉米籽粒，每个小块采用与每个玉米籽粒对应的组成球相组合而成；而每个玉米籽粒采用一定数量的直径为籽粒厚度的单层球组合而成，籽粒上下和两侧边也采用球组合，籽粒内部用球填充，然后采用连接球模拟籽粒果柄，将籽粒与对应的玉米芯组成球连接。基于颗粒聚合体的玉米果穗分析模型建模方法从数学理论出发，通过自主研制的建模软件建立理想的果穗模型，将籽粒看做球组合的聚合体，玉米芯为多个通过球连接的小块组合而成。而在实际田间表现中，玉米果穗上除了两端最外缘籽粒外，果穗排列是每间隔两行排列相互错位搭接，即相邻两列穗行中的两横向籽粒侧面正对接触形成1-1对立接触，再与另外相邻两列穗行中的两层同样1-1接触的两横向籽粒侧面形成错位接触。该建模方法并不能准确表达田间实际的玉米果穗模型，基于该模型进行的实验分析难以为优化脱粒装置提供合适的理论依据。

发明内容

本发明的目的是提供一种建立模拟玉米果穗动力接触的有限元模型的方法，该模型可用于模拟玉米果穗在实际脱粒过程中的动力接触，为优化玉米果穗脱粒工艺和脱粒装置等研究提供理论依据。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案为，一种建立模拟玉米果穗动力接触的有限元模型的方法，包括以下步骤：

（1）、建立玉米果穗模型

a、选取若干玉米果穗，测量玉米芯直径和长度并分别取均值，根据直径均值作出玉米芯的端面圆，根据长度均值拉伸出玉米芯圆柱体模型，并根据选取玉米果穗的平均穗行数n，将玉米芯圆柱体模型的两端面对应均分为n等份扇形；

b、在步骤a中所取的玉米果穗上选取若干玉米籽粒，测量玉米籽粒的尺寸并取均值，根据均值作出玉米籽粒和玉米籽粒上的胚芽边界在水平面上的垂直投影，根据玉米籽粒的厚度均值拉伸出玉米籽粒模型；沿玉米籽粒模型的中心轴线标记胚芽上的若干点，测量出所取玉米籽粒的胚芽上与标记点位置相应处的厚度并取均值，根据该均值与玉米籽粒厚度均值的差值，在玉米籽粒模型上作出胚芽边界上的点与标记点的连结曲面，根据该连结曲面在建立的玉米籽粒模型的其中一个侧面上切除出胚芽曲面，从而建立具有胚芽的玉米籽粒实体模型；

c、在玉米籽粒实体模型上，玉米籽粒底部的尖端至胚芽底部的区域为玉米籽粒的果柄，测量果柄的几何特征参数，并根据果柄的几何特征参数在步骤a中建立的玉米芯圆柱体模型的圆周面上纵向均匀切除出n条用于放置果柄的槽体，每个槽体均位于一个划分出的扇形区域内，然后将步骤b建立的玉米籽粒实体模型通过其果柄一一装配到槽体中，使玉米籽粒胚芽处的端面与玉米芯圆柱体模型一端的端面配合；然后每间隔两列玉米籽粒，将相邻两列玉米籽粒沿玉米芯中心轴线方向移位玉米籽粒厚度均值的                                                ，建立玉米果穗模型；

（2）建立有限元模型

a、选取步骤（1）c建立的玉米果穗模型的一段，将选取段上玉米籽粒1对1接触的两行的缝隙标记为A缝，玉米籽粒1对2接触的两行的缝隙标记为B缝，并在其中一个缝隙的正上方建立用于冲击玉米果穗的呈楔形的冲头模型；

b、采用映射方式对步骤（2）a建立的冲头模型划分网格，将其划分为若干个六面体单元；采用扫掠方式对步骤（2）a选取的玉米果穗模型中的玉米芯划分网格，将其划分为若干个六面体单元；采用自由方式对步骤（2）a选取的玉米果穗模型中的玉米籽粒划分网格，将其划分为若干个四面体单元；通常情况下，可利用ANSYS/LS-DYNA的智能尺寸控制技术来控制网格的大小和疏密分布，也可进行人工设置网格的大小和疏密分布以及选择分网算法。

c、取实际玉米果穗对应于步骤（2）a的玉米果穗模型选取段，采用推力计测得实际玉米果穗中A缝玉米籽粒间的挤压力、B缝玉米籽粒间的挤压力、沿玉米芯轴线方向的玉米籽粒间的挤压力以及玉米籽粒的果柄与玉米芯的连接力，根据推力计的测量结果，在步骤（2）b建立的玉米芯和玉米籽粒各网格中的节点处通过ANSYS/LS-DYNA软件中的点焊来模拟建立前述四个作用力的大小，从而建立模拟实际玉米果穗生产特性的模型。

在对该发明建立的玉米果穗的有限元模型进行冲击试验时，可将步骤（2）c建立的模型中的玉米芯固定，采用步骤（2）b建立的冲头模型对步骤（2）c建立的模型进行冲击，步骤（2）c中四个作用力因受冲击失效的公式为：，其中，，分别为点焊的法向力和切向力；，分别为点焊的法向冲击破坏力和切向冲击破坏力；EXPN、EXPS分别为失效准则中法向力指数和切向力指数。其中，冲头模型对步骤（2）c建立的模型进行冲击时，冲头模型施加的加速度为9.8m/s²。

其中，步骤（2）a建立的冲头模型以及步骤（2）c中通过ANSYS/LS-DYNA软件建立的玉米芯和玉米籽粒均选用软件中的solid164号单元；测量实际玉米果穗对应于步骤（2）a的玉米果穗模型选取段中玉米芯和玉米籽粒的弹性模量、泊松比和密度，选取软件中对应的玉米芯和玉米籽粒材料模型。

本发明根据玉米果穗的实际组砌规律，在建立玉米果穗模型与有限元模型的基础上，采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件对玉米果穗在楔形冲击模型作用下动力接触过程中应力分布及传递过程进行了模拟分析，经模型分析结构，能够得出玉米果穗受冲击的宏观籽粒离散特性和离散方向。其中，玉米果穗受冲击部位籽粒等效应力较大，冲头初接触时等效应力集中分布于受冲果穗籽粒两侧，随冲头下降，等效应力由受冲部位向两侧传递，果柄由受冲部位横向沿籽粒组砌规律顺序断裂，等效应力分布较初始接触时分散。

有益效果：本发明通过测量、统计玉米果穗各部分几何参数，建立玉米果穗三维模型，建模时保证了玉米籽粒的排列接近实际情况，即籽粒之间是接触的，且籽粒的排列符合组砌规律，更贴合真实的玉米果穗，可满足玉米果穗脱粒等研究需要；本发明基于玉米果穗籽粒的生长排列特性，建立了玉米果穗模型和有限元模型，对楔形冲头冲击玉米果穗的过程在ANSYS/LS-DYNA软件中进行动力接触分析，得到玉米果穗在冲头作用下的应力分布传递规律、籽粒散落机理，可为改进脱粒工艺，优化脱粒装置提供理论依据。

附图说明

图1为本发明步骤（1）a建立的玉米芯圆柱体模型的端面示意图；

图2为玉米果穗实物组砌规律图示；

图3为本发明步骤（1）b中作出的垂直投影图；

图4为本发明步骤（1）b中作出的胚芽曲面与玉米籽粒侧面之间的位置关系图；

图5为本发明步骤（1）b建立的具有胚芽的玉米籽粒实体模型；

图6为本发明步骤（1）c建立的玉米果穗模型；

图7为本发明步骤（2）a选取的玉米果穗模型的段落；

图8和图9分别为图7的侧视图和展开示意图；

图10为本发明步骤（2）b网格划分后的示意图；

图11为本发明选取的玉米果穗的实际的材料属性；

图12为冲头模型冲击玉米果穗模型时对应图9展开模型的应力传递示意图。

附图标记：1、玉米芯，2、玉米籽粒，3、胚芽，4、冲头模型。

具体实施方式

一种建立模拟玉米果穗动力接触的有限元模型的方法，包括以下步骤：

（1）、建立玉米果穗模型

a、选取若干同一品种、含水率为10%的玉米果穗，测量玉米芯直径和长度并分别取均值，根据直径均值作出玉米芯的端面圆，根据长度均值拉伸出玉米芯圆柱体模型，并根据选取玉米果穗的平均穗行数n，将玉米芯圆柱体模型的两端面对应均分为n等份扇形；本发明采用浚单20品种的玉米，玉米果穗穗行数为十六行，如图1所示，将玉米芯圆柱体模型的端面均分为十六等份的扇形。

b、在步骤a中所取的玉米果穗上选取若干玉米籽粒，测量玉米籽粒的尺寸并取均值，根据均值作出如图3所示的玉米籽粒和玉米籽粒上的胚芽边界在水平面上的垂直投影，根据玉米籽粒的厚度均值拉伸出玉米籽粒模型；沿玉米籽粒模型的中心轴线标记胚芽上的若干点，测量出所取玉米籽粒的胚芽上与标记点位置相应处的厚度并取均值，根据该均值与玉米籽粒厚度均值的差值，在玉米籽粒模型上作出如图4中虚线所示的胚芽边界上的点与标记点的连结曲面，根据该连结曲面在建立的玉米籽粒模型的其中一个侧面上切除出胚芽曲面，从而建立如图5所示的具有胚芽的玉米籽粒实体模型；

c、在玉米籽粒实体模型上，玉米籽粒的尖端至胚芽底部的区域为玉米籽粒的果柄，测量果柄的几何特征参数，并根据果柄的几何特征参数在步骤a中建立的玉米芯圆柱体模型的圆周面上纵向均匀切除出n条用于放置果柄的槽体，每个槽体均位于一个划分出的扇形区域内，然后将步骤b建立的玉米籽粒实体模型通过其果柄一一装配到槽体中，使玉米籽粒胚芽处的端面与玉米芯圆柱体模型一端的端面配合；然后，每间隔两列玉米籽粒，将相邻两列玉米籽粒沿玉米芯中心轴线方向移位玉米籽粒厚度均值的，建立如图6所示的玉米果穗模型；

（2）建立有限元模型

a、选取图6所示的玉米果穗模型的一段，将选取段上玉米籽粒1对1接触的两行的缝隙标记为A缝，玉米籽粒1对2接触的两行的缝隙标记为B缝，并在其中一个缝隙的正上方建立用于冲击玉米果穗的呈楔形的冲头模型，如图7所示。为了减少分析时间，选取玉米果穗中段直径为49.78mm、长20mm的圆柱体的一段作为分析对象，如图7和图8所示。对玉米果穗模型做如下假设：1、玉米果穗上籽粒饱满、大小相同，玉米芯为圆柱体；2、果穗上全部籽粒的含水率相同；3、果穗上无缺籽、坏籽。该段果穗模型共56颗籽粒，对立行籽粒沿玉米芯轴向排列3颗或4颗籽粒，在果穗A缝缝隙上侧约6mm处建立冲头模型，冲头宽度10mm，对向A缝缝隙，如图7所示。为方便分析规定带胚沟的一侧即图7显示的一侧为正面。将此56个籽粒一一编号，籽粒4、5、8、9中间虚线部分为冲头冲击部位。

b、采用映射方式对步骤（2）a建立的冲头模型划分网格，划分为若干个六面体单元；采用扫掠方式对步骤（2）a选取的玉米果穗模型中的玉米芯划分网格，划分为若干个六面体单元；采用自由方式对步骤（2）a选取的玉米果穗模型中的玉米籽粒划分网格，划分为若干个四面体单元；网格划分后的示意图如图10所示。

c、取实际玉米果穗对应于步骤（2）a的玉米果穗模型选取段，采用推力计测得实际玉米果穗中A缝玉米籽粒间的挤压力、B缝玉米籽粒间的挤压力、沿玉米芯轴线方向的玉米籽粒间的挤压力以及玉米籽粒的果柄与玉米芯的连接力。由于玉米果穗脱粒时，不仅要使果柄断裂，而且还需要克服籽粒间的相互作用力。当外力大于籽粒间的作用力和果柄处的连结力时，方可完成脱粒。如图2所示的玉米果穗实物组砌图，玉米果穗籽粒在生长时存在一定的生物性特性。在玉米芯上，玉米籽粒通常排列成16~18纵行或更多偶数行。在玉米果穗上除了两端最外缘籽粒外，果穗排列是以11-22组砌单元为基本单元组合排列错位搭接的。如图1中线条所围区域，该单元是由六个籽粒组成，单层两横向籽粒侧面正对接触形成1-1对立接触，再与另外两层同样1-1接触的两横向籽粒侧面形成错位接触。其中，对立籽粒1-1籽粒间缝隙记为A缝，交错籽粒1-2籽粒间缝隙记为B缝。

本发明选取的实际的玉米果穗，用推力计测得籽粒含水率10%果穗中部对立行籽粒间挤压力为15.3N，交错行间挤压力为20.52N，籽粒沿轴向间的挤压力为6.85N；在LDS微机控制拉压试验机上，通过单籽粒分离试验，测得果柄连接力为2.05N。

根据推力计的测量结果，在步骤（2）b建立的玉米芯和玉米籽粒各网格中的节点处通过ANSYS/LS-DYNA软件中的点焊来模拟建立前述四个作用力的大小，从而建立模拟实际玉米果穗生产特性的模型。

d、将步骤（2）c建立的模型中的玉米芯固定，采用步骤（2）b建立的冲头模型对步骤（2）c建立的模型进行冲击。冲头模型最下端初始位置距籽粒上端所在圆约6mm，冲头以1.69m/s的初速度，9.8m/s²加速度冲向玉米果穗A缝缝隙，即图9中籽粒4、5与籽粒8、9间的缝隙。对玉米芯中部用于放置籽粒21、22、23、24和籽粒45、46、47、48的槽底施加ALL DOF全约束。

步骤（2）c中四个作用力因受冲击失效的公式为：，其中，，分别为点焊的法向力和切向力；，分别为点焊的法向冲击破坏力和切向冲击破坏力；EXPN、EXPS分别为失效准则中法向力指数和切向力指数。

由于选取的每对节点较近，且失效基本沿节点间的法向，因此忽略切向失效，仅设置法向失效参数。对立行每两个籽粒间通过4对节点设置点焊，则每个点焊的法向冲击破坏力为3.825N；交错行间每组籽粒通过两对节点设置点焊，则每个点焊的法向冲击破坏力为10.26N；轴向每两个籽粒间通过4对节点设置点焊，则每个点焊的法向冲击破坏力为1.7125N；每个籽粒的果柄通过籽粒与玉米芯的4对节点设置点焊，则每个点焊的法向冲击破坏力为0.513N。法向力指数均设置为1。当外力大于冲击破坏力时点焊被破坏，籽粒间或果柄处的连接失效。

其中，步骤（2）a建立的冲头模型以及步骤（2）c中通过ANSYS/LS-DYNA软件建立的玉米芯和玉米籽粒均选用软件中的solid164号单元；采用程控静态应变仪测得的实际玉米果穗对应于步骤（2）a的玉米果穗模型选取段中玉米芯和玉米籽粒的弹性模量、泊松比，采用体积排水法测得玉米芯和玉米籽粒的密度，选取软件中对应的玉米芯和玉米籽粒材料模型；冲头选用45号钢。

其中，步骤（2）d冲头模型对步骤（2）c建立的模型进行冲击时，冲头模型施加的加速度为9.8m/s²，对玉米芯中部两侧放置果柄的槽体底部施加全约束。

图12为冲头模型冲击玉米果穗模型时对应图9展开模型的应力传递示意图，图12中省略对玉米籽粒的编号，各玉米籽粒的编号与图9中的玉米籽粒的编号一一对应。根据图12可知，应力集中分布于受冲击A缝两侧对立行籽粒，籽粒编号为4、5、8、9，籽粒与冲头接触区域等效应力较大，等效应力最大值为6.37×107，出现在与冲头接触的籽粒部位，此时籽粒上距冲头较远区域应力值较小。随着冲头下落，果穗上等效应力逐步由受冲击部位向受冲A缝两侧籽粒扩散。冲头模型与玉米果穗模型动力接触时，等效应力已向冲头冲击对立行两侧的交错行上传递，籽粒4与57、8与12之间的缝隙为交错行缝隙，如图12所示，为冲头模型冲击玉米果穗模型时的应力传递示意图，应力由籽粒4传至籽粒57，由籽粒8传至籽粒12，等效应力通过籽粒间横向接触面传递且接触面处应力较大；由于玉米芯固定，冲头对籽粒的作用造成籽粒所受等效应力传递至果柄处，在冲头作用下，当果柄处受力大于果柄连接力时果柄断裂，受冲A缝两侧已各有5颗籽粒的果柄断裂，籽粒编号为4、8、12、15、18、22、46、50、54、57，其余籽粒由于果柄处受力较小不满足点焊失效准则，果柄并未断裂。

在玉米果穗冲击试验台上以相同材质的楔型冲击头冲击籽粒含水率为10%的浚单20果穗中部A缝隙。试验结果显示，楔型冲击头冲击果穗A缝，起初阶段等效应力集中于受冲A缝两侧，随载荷步增加，等效应力沿A缝两侧按组砌规律传递，籽粒沿受冲A缝横向两侧散落。有限元分析过程显示，应力由受冲击A缝向两侧籽粒传递，籽粒果柄断裂顺序是沿受冲A缝横向按果穗籽粒组砌规律进行的。实际的果穗籽粒的离散特征、籽粒散落方向与本发明所建立的模拟玉米果穗动力接触的有限元模型的分析结果一致，本发明所建立的模型可用于演示果穗冲击过程中籽粒间等效应力传递、果柄断裂机理。