發布時間：2021-04-12所屬分類：園林工程師瀏覽：1次
摘 要： 摘要為解決林木采伐中進料輥造成樹木損傷的問題,以進料輥中的雙V附翼型蜂窩結構為研究對象,探究其胞元結構參數對伐倒木圓條樹木的損傷機制.基于理論力學構建了雙V附翼型結構單位胞元參數與屈服強度的理論模型,進而進行了Y方向壓縮實驗驗證,考察在低速壓縮條
摘要為解決林木采伐中進料輥造成樹木損傷的問題,以進料輥中的雙V附翼型蜂窩結構為研究對象,探究其胞元結構參數對伐倒木圓條樹木的損傷機制.基于理論力學構建了雙V附翼型結構單位胞元參數與屈服強度的理論模型,進而進行了Y方向壓縮實驗驗證,考察在低速壓縮條件下各胞元結構參數對該結構等效應力和能量吸收變化的影響,以及有限元仿真進料輥胞元結構參數與原木接觸面積的耦合關系.選定聚氨酯作為輥型驅動應用材料,通過正交試驗法,在較優參數θ1、θ2、t區間內使進料輥與木材接觸面積增大14.56%~26.11%.研究結果表明,可根據具體工況需求選用確定胞元結構參數,且結構參數厚度t是影響負泊松比蜂窩結構密實應變的重要指標;通過雙V附翼型負泊松比結構材料的選用和尺寸參數的改變,改善了進料輥作業時與木材的接觸面積大小,降低原木所受壓強.
關鍵詞進料輥;雙V附翼型結構;負泊松比;林木聯合采育機;森林工程;原木損傷;伐倒木
目前,聯合采育機和聯合收割機逐漸代替單一的收割機械,愈發廣泛地應用于農林業生產,同時使得對林木聯合采育機的各個部件、裝置的研究也更加深入[1].伐倒木圓條受林木聯合采育機的進料輥鋼齒損傷問題亟待解決,因此如何降低木材損傷,提高伐倒木經濟價值,顯得尤為重要.
針對樹木采伐過程中受聯合采育機進料輥損傷問題,國內外進行了廣泛的研究.Gerasimov等[2]以俄羅斯林業采伐為例研究了單柄收割機機頭對工業原木損傷和作業效率損失的影響.VanderGMerGwe等[3]研究了桉樹收割機對原木表面的損傷在紙漿價值恢復方面的影響.王棟等[4]提出一種應用在輥型驅動上的雙V附翼型負泊松比結構,該結構可使進料輥齒與伐倒木接觸時齒數增多,致使更多壓縮后的負泊松比結構受力,進而增大進料輥圓周工作面與伐倒木之間的接觸面積,減小進料輥齒對采伐原木的損傷.該研究創新性地引入負泊松比結構解決了林木采伐中樹木損傷的問題,但未深入闡述進料輥所受應力及能量消耗.
Lakes[5]首次明確提出負泊松比這一概念,引起國內外學者廣泛關注,相較于傳統材料結構,其結構具有更高的抗剪切、抗壓痕和抗沖擊性能.負泊松比現象產生的原因是特殊的胞元結構受軸向壓縮時會產生內凹效應,結構產生橫向收縮變形,致使整體構件向中心收縮.該結構從而表現出壓痕阻抗效應,結構的剛度、強度增強.基于負泊松比結構的特點和應用,現有研究提出了多種不同構型的負泊松比蜂窩結構[6G7].在雙箭頭型負泊松比蜂窩結構研究方面,Qiao等[8]通過理論和有限元的方法研究了其在準靜態、動態沖擊下的力學性能及變形機制.現有研究通過多種力學分析方法考察了沖擊速度、相對密度和結構參數對結構的力學特性和能量吸收效應機制的影響[9G11].在工程應用方面,Signund等[12]研究了負泊松比柔性微觀結構的設計與制作,但只進行了微觀條件下的應用,對宏觀表現沒有充分研究.
本研究以某林木聯合采育機的進料輥裝置為研究對象,評估進料輥在采用雙V附翼型負泊松比蜂窩結構后的力學性能,建立雙V附翼型負泊松比結構Y方向屈服強度的理論模型,模擬低速沖擊下實際工況條件中的雙V附翼型負泊松比結構構件胞元等效應力的變化規律和吸收能量的表現,旨在對聯合采育機進料輥采用雙V附翼型負泊松比結構進行設計優化時提供一定的參考.
1樹木圓條損傷與輥型驅動結構Y方向理論模型的建立
1.1進料輥蜂窩胞元結構參數與屈服強度理論模型的建立
1.2準靜態壓縮條件下負泊松比蜂窩結構Y方向壓縮試驗
利用3D打印技術制作負泊松比蜂窩結構,該結構構件X方向取3個胞元寬度單位,Y方向取5個胞元高度長度,Z方向取1個胞元厚度單位,結構長×高為220mm×220mm,基體材料為尼龍,彈性模量為1600MPa.試驗上方為能覆蓋結構變形的近似剛體平面(尺寸合適的鋼板),中間放入壓縮試樣,下方放于水平剛體平面(夾具).從上向下進行勻速壓縮,定量位移為5mm,試驗進給速度V=1mm/min,測定正方形雙V附翼型蜂窩結構在一定壓縮量單胞元或者關鍵區域的微觀應變以及總體受壓變形云圖.試驗架設單目相機拍攝試驗進程,并利用DIC非接觸測量技術檢測所測結構位移場和應變場變化及分布,試驗現場如圖2所示.
由圖3可知,雙V附翼型負泊松比結構在受Y方向壓縮5mm后位移最大值為2.908mm,應變最大值0.0134,由此可以得出在壓縮量為5mm條件下胞元結構最大等效應力為21.44MPa.結合對雙V附翼型負泊松比結構構件在準靜態壓縮速度(1mm/min)條件下進行有限元仿真分析,得到理論計算、有限元仿真和實體試驗的最大等效應力σ結果(表1).由表1可知,試驗結果、理論計算結果與仿真結果存在一定誤差,最大誤差為22.8%,最小誤差為12.95%,在可接受范圍之內,分析其原因可能是實體模型3D打印過程中存在打印誤差,同時試驗過程中試驗儀器本身存在一定誤差引起.
2樹木圓條與進料輥接觸面積仿真及試驗
利用Solidworks三維建模軟件建立雙V附翼型負泊松比結構實體模型,導入有限元分析軟件ANSYSGWorkbench/LSGDYNA組件進行有限元模擬仿真(圖4).構件整體為實體模型,規劃四面體網格,在計算Y方向軸向沖擊時,基于圣維南原理以減少邊界條件對測量結果的影響,該結構構件X方向取5個胞元寬度單位,Y方向取8個胞元高度長度,Z方向取1個胞元厚度單位.選定聚氨酯[13]作為該結構的材料,聚氨酯具有優異的彈性、機械性能強度高、耐疲勞性高、尺寸穩定、蠕變小等優點,聚氨酯材料彈性模量E為66.1MPa,泊松比ν為0.36.對雙V附翼型負泊松比結構構件進行Y軸方向的準靜態壓縮和低速沖擊下的壓縮試驗,上壓板以沖擊速度v進行壓縮構件,下底板做固定約束,左右兩側自由.為保證變形的平面應變狀態,試件中所有節點面外位移均被限制.
根據實際工況下進料輥在抱合動作時受伐倒木軸向低速沖擊,探究雙V附翼型負泊松比結構受Y軸軸向低速沖擊力學特性研究和變形機制,在ANSYS中進行雙V附翼型負泊松比結構壓縮構件的低速沖擊,設定速度v=2m/s,選取受壓縮構件的中間2個胞元計算所得的最大等效應力的平均值作為計算結果,有限元仿真結果及分析如下.
2.1最大等效應力
1)尺寸參數角度θ1.如圖5所示,隨著角度θ1由40°至25°的變化,其在同等應變條件下等效應力幅值也隨之減小,可知隨著參數角度θ1由20°至40°的變化,各構件進入平臺應力階段的應變值也隨之增加,構件θ1=20°、θ1=25°在應變為0.3左右時進入平臺應力階段,而構件θ1=30°、θ1=35°、θ1=40°則在應變為0.3~0.6依次進入應力平臺階段.其中,由于構件θ1=20°時最早完成致密化階段,最終等效應力幅值較其余各組誤差大.排除應變為0.75~1.0的數據計算結果,即排除構件受壓進入致密化階段的過程,各組所測最終等效應力隨著角度θ1由25°至40°的變化而逐漸增大.
根據胞元結構和有限元應力云圖分析,由于θ2=75°固定,使θ1增大,則胞元上梁和下梁之間夾角減小.該角的角度愈小,胞元結構在受Y軸軸向壓縮時更易密實化,即更容易壓縮密實,所以在應變為0.75時各組所測的最終等效應力隨著角度增大θ1(20°至40°)而逐漸減小.
2)尺寸參數角度θ2.由圖6可知,除θ2=60°外,隨著角度θ2由60°至80°,應力G應變曲線逐步平順;其中當角度θ2為60°時,相比于其他曲線最先出現應力突變的表現,即最早進入應力平臺階段,其余曲線整體變化趨勢基本相同.當θ2變大時,雙V附翼型負泊松比結構的等效應力變化規律基本保持一致,但最大值依次減小.從結構整體的變形情況來說,首先雙V附翼型結構的受沖擊端和固定端發生彈性變形,但由于其負泊松比效應,變形區域有內凹趨勢,所以最終的整體變形模式呈中段收縮的形狀.排除應變為0.75~1.0的數據計算結果,即排除構件受壓進入致密化階段的過程,各組所測最終等效應力隨著角度θ2增大(60°至80°)而逐漸減小.由于θ2變大,雙V附翼型結構的胞元樣式在θ1不變的條件下導致胞元上梁和下梁的夾角增大,上下V型構造的頂點間距增大,使胞元上梁撓度增大,導致其胞元整體的等效應力最大值逐漸減小;由于θ2變小,更易得到較大的等效應力區間,但應力波動愈發劇烈.——論文作者：朱旭晨,王典,劉晉浩,黃青青
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