摘要为解决林木采伐中进料辊造成树木损伤的问题,以进料辊中的双V附翼型蜂窝结构为研究对象,探究其胞元结构参数对伐倒木圆条树木的损伤机制.基于理论力学构建了双V附翼型结构单位胞元参数与屈服强度的理论模型,进而进行了Y方向压缩实验验证,考察在低速压缩条件下各胞元结构参数对该结构等效应力和能量吸收变化的影响,以及有限元仿真进料辊胞元结构参数与原木接触面积的耦合关系.选定聚氨酯作为辊型驱动应用材料,通过正交试验法,在较优参数θ1、θ2、t区间内使进料辊与木材接触面积增大14.56%~26.11%.研究结果表明,可根据具体工况需求选用确定胞元结构参数,且结构参数厚度t是影响负泊松比蜂窝结构密实应变的重要指标;通过双V附翼型负泊松比结构材料的选用和尺寸参数的改变,改善了进料辊作业时与木材的接触面积大小,降低原木所受压强.
关键词进料辊;双V附翼型结构;负泊松比;林木联合采育机;森林工程;原木损伤;伐倒木
目前,联合采育机和联合收割机逐渐代替单一的收割机械,愈发广泛地应用于农林业生产,同时使得对林木联合采育机的各个部件、装置的研究也更加深入[1].伐倒木圆条受林木联合采育机的进料辊钢齿损伤问题亟待解决,因此如何降低木材损伤,提高伐倒木经济价值,显得尤为重要.
针对树木采伐过程中受联合采育机进料辊损伤问题,国内外进行了广泛的研究.Gerasimov等[2]以俄罗斯林业采伐为例研究了单柄收割机机头对工业原木损伤和作业效率损失的影响.VanderGMerGwe等[3]研究了桉树收割机对原木表面的损伤在纸浆价值恢复方面的影响.王栋等[4]提出一种应用在辊型驱动上的双V附翼型负泊松比结构,该结构可使进料辊齿与伐倒木接触时齿数增多,致使更多压缩后的负泊松比结构受力,进而增大进料辊圆周工作面与伐倒木之间的接触面积,减小进料辊齿对采伐原木的损伤.该研究创新性地引入负泊松比结构解决了林木采伐中树木损伤的问题,但未深入阐述进料辊所受应力及能量消耗.
Lakes[5]首次明确提出负泊松比这一概念,引起国内外学者广泛关注,相较于传统材料结构,其结构具有更高的抗剪切、抗压痕和抗冲击性能.负泊松比现象产生的原因是特殊的胞元结构受轴向压缩时会产生内凹效应,结构产生横向收缩变形,致使整体构件向中心收缩.该结构从而表现出压痕阻抗效应,结构的刚度、强度增强.基于负泊松比结构的特点和应用,现有研究提出了多种不同构型的负泊松比蜂窝结构[6G7].在双箭头型负泊松比蜂窝结构研究方面,Qiao等[8]通过理论和有限元的方法研究了其在准静态、动态冲击下的力学性能及变形机制.现有研究通过多种力学分析方法考察了冲击速度、相对密度和结构参数对结构的力学特性和能量吸收效应机制的影响[9G11].在工程应用方面,Signund等[12]研究了负泊松比柔性微观结构的设计与制作,但只进行了微观条件下的应用,对宏观表现没有充分研究.
本研究以某林木联合采育机的进料辊装置为研究对象,评估进料辊在采用双V附翼型负泊松比蜂窝结构后的力学性能,建立双V附翼型负泊松比结构Y方向屈服强度的理论模型,模拟低速冲击下实际工况条件中的双V附翼型负泊松比结构构件胞元等效应力的变化规律和吸收能量的表现,旨在对联合采育机进料辊采用双V附翼型负泊松比结构进行设计优化时提供一定的参考.
1树木圆条损伤与辊型驱动结构Y方向理论模型的建立
1.1进料辊蜂窝胞元结构参数与屈服强度理论模型的建立
1.2准静态压缩条件下负泊松比蜂窝结构Y方向压缩试验
利用3D打印技术制作负泊松比蜂窝结构,该结构构件X方向取3个胞元宽度单位,Y方向取5个胞元高度长度,Z方向取1个胞元厚度单位,结构长×高为220mm×220mm,基体材料为尼龙,弹性模量为1600MPa.试验上方为能覆盖结构变形的近似刚体平面(尺寸合适的钢板),中间放入压缩试样,下方放于水平刚体平面(夹具).从上向下进行匀速压缩,定量位移为5mm,试验进给速度V=1mm/min,测定正方形双V附翼型蜂窝结构在一定压缩量单胞元或者关键区域的微观应变以及总体受压变形云图.试验架设单目相机拍摄试验进程,并利用DIC非接触测量技术检测所测结构位移场和应变场变化及分布,试验现场如图2所示.
由图3可知,双V附翼型负泊松比结构在受Y方向压缩5mm后位移最大值为2.908mm,应变最大值0.0134,由此可以得出在压缩量为5mm条件下胞元结构最大等效应力为21.44MPa.结合对双V附翼型负泊松比结构构件在准静态压缩速度(1mm/min)条件下进行有限元仿真分析,得到理论计算、有限元仿真和实体试验的最大等效应力σ结果(表1).由表1可知,试验结果、理论计算结果与仿真结果存在一定误差,最大误差为22.8%,最小误差为12.95%,在可接受范围之内,分析其原因可能是实体模型3D打印过程中存在打印误差,同时试验过程中试验仪器本身存在一定误差引起.
2树木圆条与进料辊接触面积仿真及试验
利用Solidworks三维建模软件建立双V附翼型负泊松比结构实体模型,导入有限元分析软件ANSYSGWorkbench/LSGDYNA组件进行有限元模拟仿真(图4).构件整体为实体模型,规划四面体网格,在计算Y方向轴向冲击时,基于圣维南原理以减少边界条件对测量结果的影响,该结构构件X方向取5个胞元宽度单位,Y方向取8个胞元高度长度,Z方向取1个胞元厚度单位.选定聚氨酯[13]作为该结构的材料,聚氨酯具有优异的弹性、机械性能强度高、耐疲劳性高、尺寸稳定、蠕变小等优点,聚氨酯材料弹性模量E为66.1MPa,泊松比ν为0.36.对双V附翼型负泊松比结构构件进行Y轴方向的准静态压缩和低速冲击下的压缩试验,上压板以冲击速度v进行压缩构件,下底板做固定约束,左右两侧自由.为保证变形的平面应变状态,试件中所有节点面外位移均被限制.
根据实际工况下进料辊在抱合动作时受伐倒木轴向低速冲击,探究双V附翼型负泊松比结构受Y轴轴向低速冲击力学特性研究和变形机制,在ANSYS中进行双V附翼型负泊松比结构压缩构件的低速冲击,设定速度v=2m/s,选取受压缩构件的中间2个胞元计算所得的最大等效应力的平均值作为计算结果,有限元仿真结果及分析如下.
2.1最大等效应力
1)尺寸参数角度θ1.如图5所示,随着角度θ1由40°至25°的变化,其在同等应变条件下等效应力幅值也随之减小,可知随着参数角度θ1由20°至40°的变化,各构件进入平台应力阶段的应变值也随之增加,构件θ1=20°、θ1=25°在应变为0.3左右时进入平台应力阶段,而构件θ1=30°、θ1=35°、θ1=40°则在应变为0.3~0.6依次进入应力平台阶段.其中,由于构件θ1=20°时最早完成致密化阶段,最终等效应力幅值较其余各组误差大.排除应变为0.75~1.0的数据计算结果,即排除构件受压进入致密化阶段的过程,各组所测最终等效应力随着角度θ1由25°至40°的变化而逐渐增大.
根据胞元结构和有限元应力云图分析,由于θ2=75°固定,使θ1增大,则胞元上梁和下梁之间夹角减小.该角的角度愈小,胞元结构在受Y轴轴向压缩时更易密实化,即更容易压缩密实,所以在应变为0.75时各组所测的最终等效应力随着角度增大θ1(20°至40°)而逐渐减小.
2)尺寸参数角度θ2.由图6可知,除θ2=60°外,随着角度θ2由60°至80°,应力G应变曲线逐步平顺;其中当角度θ2为60°时,相比于其他曲线最先出现应力突变的表现,即最早进入应力平台阶段,其余曲线整体变化趋势基本相同.当θ2变大时,双V附翼型负泊松比结构的等效应力变化规律基本保持一致,但最大值依次减小.从结构整体的变形情况来说,首先双V附翼型结构的受冲击端和固定端发生弹性变形,但由于其负泊松比效应,变形区域有内凹趋势,所以最终的整体变形模式呈中段收缩的形状.排除应变为0.75~1.0的数据计算结果,即排除构件受压进入致密化阶段的过程,各组所测最终等效应力随着角度θ2增大(60°至80°)而逐渐减小.由于θ2变大,双V附翼型结构的胞元样式在θ1不变的条件下导致胞元上梁和下梁的夹角增大,上下V型构造的顶点间距增大,使胞元上梁挠度增大,导致其胞元整体的等效应力最大值逐渐减小;由于θ2变小,更易得到较大的等效应力区间,但应力波动愈发剧烈.——论文作者：朱旭晨,王典,刘晋浩,黄青青
相关期刊推荐：《华中农业大学学报》(双月刊)1956年创刊，刊载生物技术、作物育种与栽培、植物保护、资源与环境、畜牧与兽医、水产养殖、园林科学、食品科技等方面的研究论文，是学术质量较高的刊物。反映农业各学科前沿和研究成果及进展。
