發(fā)布時(shí)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(jìn)料輥造成樹木損傷的問(wèn)題,以進(jìn)料輥中的雙V附翼型蜂窩結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象,探究其胞元結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)伐倒木圓條樹木的損傷機(jī)制.基于理論力學(xué)構(gòu)建了雙V附翼型結(jié)構(gòu)單位胞元參數(shù)與屈服強(qiáng)度的理論模型,進(jìn)而進(jìn)行了Y方向壓縮實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,考察在低速壓縮條
摘要為解決林木采伐中進(jìn)料輥造成樹木損傷的問(wèn)題,以進(jìn)料輥中的雙V附翼型蜂窩結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象,探究其胞元結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)伐倒木圓條樹木的損傷機(jī)制.基于理論力學(xué)構(gòu)建了雙V附翼型結(jié)構(gòu)單位胞元參數(shù)與屈服強(qiáng)度的理論模型,進(jìn)而進(jìn)行了Y方向壓縮實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,考察在低速壓縮條件下各胞元結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)該結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力和能量吸收變化的影響,以及有限元仿真進(jìn)料輥胞元結(jié)構(gòu)參數(shù)與原木接觸面積的耦合關(guān)系.選定聚氨酯作為輥型驅(qū)動(dòng)應(yīng)用材料,通過(guò)正交試驗(yàn)法,在較優(yōu)參數(shù)θ1、θ2、t區(qū)間內(nèi)使進(jìn)料輥與木材接觸面積增大14.56%~26.11%.研究結(jié)果表明,可根據(jù)具體工況需求選用確定胞元結(jié)構(gòu)參數(shù),且結(jié)構(gòu)參數(shù)厚度t是影響負(fù)泊松比蜂窩結(jié)構(gòu)密實(shí)應(yīng)變的重要指標(biāo);通過(guò)雙V附翼型負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)材料的選用和尺寸參數(shù)的改變,改善了進(jìn)料輥?zhàn)鳂I(yè)時(shí)與木材的接觸面積大小,降低原木所受壓強(qiáng).
關(guān)鍵詞進(jìn)料輥;雙V附翼型結(jié)構(gòu);負(fù)泊松比;林木聯(lián)合采育機(jī);森林工程;原木損傷;伐倒木
目前,聯(lián)合采育機(jī)和聯(lián)合收割機(jī)逐漸代替單一的收割機(jī)械,愈發(fā)廣泛地應(yīng)用于農(nóng)林業(yè)生產(chǎn),同時(shí)使得對(duì)林木聯(lián)合采育機(jī)的各個(gè)部件、裝置的研究也更加深入[1].伐倒木圓條受林木聯(lián)合采育機(jī)的進(jìn)料輥鋼齒損傷問(wèn)題亟待解決,因此如何降低木材損傷,提高伐倒木經(jīng)濟(jì)價(jià)值,顯得尤為重要.
針對(duì)樹木采伐過(guò)程中受聯(lián)合采育機(jī)進(jìn)料輥損傷問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了廣泛的研究.Gerasimov等[2]以俄羅斯林業(yè)采伐為例研究了單柄收割機(jī)機(jī)頭對(duì)工業(yè)原木損傷和作業(yè)效率損失的影響.VanderGMerGwe等[3]研究了桉樹收割機(jī)對(duì)原木表面的損傷在紙漿價(jià)值恢復(fù)方面的影響.王棟等[4]提出一種應(yīng)用在輥型驅(qū)動(dòng)上的雙V附翼型負(fù)泊松比結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)可使進(jìn)料輥齒與伐倒木接觸時(shí)齒數(shù)增多,致使更多壓縮后的負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)受力,進(jìn)而增大進(jìn)料輥圓周工作面與伐倒木之間的接觸面積,減小進(jìn)料輥齒對(duì)采伐原木的損傷.該研究創(chuàng)新性地引入負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)解決了林木采伐中樹木損傷的問(wèn)題,但未深入闡述進(jìn)料輥所受應(yīng)力及能量消耗.
Lakes[5]首次明確提出負(fù)泊松比這一概念,引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注,相較于傳統(tǒng)材料結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)具有更高的抗剪切、抗壓痕和抗沖擊性能.負(fù)泊松比現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是特殊的胞元結(jié)構(gòu)受軸向壓縮時(shí)會(huì)產(chǎn)生內(nèi)凹效應(yīng),結(jié)構(gòu)產(chǎn)生橫向收縮變形,致使整體構(gòu)件向中心收縮.該結(jié)構(gòu)從而表現(xiàn)出壓痕阻抗效應(yīng),結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度增強(qiáng).基于負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和應(yīng)用,現(xiàn)有研究提出了多種不同構(gòu)型的負(fù)泊松比蜂窩結(jié)構(gòu)[6G7].在雙箭頭型負(fù)泊松比蜂窩結(jié)構(gòu)研究方面,Qiao等[8]通過(guò)理論和有限元的方法研究了其在準(zhǔn)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)沖擊下的力學(xué)性能及變形機(jī)制.現(xiàn)有研究通過(guò)多種力學(xué)分析方法考察了沖擊速度、相對(duì)密度和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性和能量吸收效應(yīng)機(jī)制的影響[9G11].在工程應(yīng)用方面,Signund等[12]研究了負(fù)泊松比柔性微觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制作,但只進(jìn)行了微觀條件下的應(yīng)用,對(duì)宏觀表現(xiàn)沒(méi)有充分研究.
本研究以某林木聯(lián)合采育機(jī)的進(jìn)料輥裝置為研究對(duì)象,評(píng)估進(jìn)料輥在采用雙V附翼型負(fù)泊松比蜂窩結(jié)構(gòu)后的力學(xué)性能,建立雙V附翼型負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)Y方向屈服強(qiáng)度的理論模型,模擬低速?zèng)_擊下實(shí)際工況條件中的雙V附翼型負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)構(gòu)件胞元等效應(yīng)力的變化規(guī)律和吸收能量的表現(xiàn),旨在對(duì)聯(lián)合采育機(jī)進(jìn)料輥采用雙V附翼型負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)提供一定的參考.
1樹木圓條損傷與輥型驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)Y方向理論模型的建立
1.1進(jìn)料輥蜂窩胞元結(jié)構(gòu)參數(shù)與屈服強(qiáng)度理論模型的建立
1.2準(zhǔn)靜態(tài)壓縮條件下負(fù)泊松比蜂窩結(jié)構(gòu)Y方向壓縮試驗(yàn)
利用3D打印技術(shù)制作負(fù)泊松比蜂窩結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)構(gòu)件X方向取3個(gè)胞元寬度單位,Y方向取5個(gè)胞元高度長(zhǎng)度,Z方向取1個(gè)胞元厚度單位,結(jié)構(gòu)長(zhǎng)×高為220mm×220mm,基體材料為尼龍,彈性模量為1600MPa.試驗(yàn)上方為能覆蓋結(jié)構(gòu)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(jìn)行勻速壓縮,定量位移為5mm,試驗(yàn)進(jìn)給速度V=1mm/min,測(cè)定正方形雙V附翼型蜂窩結(jié)構(gòu)在一定壓縮量單胞元或者關(guān)鍵區(qū)域的微觀應(yīng)變以及總體受壓變形云圖.試驗(yàn)架設(shè)單目相機(jī)拍攝試驗(yàn)進(jìn)程,并利用DIC非接觸測(cè)量技術(shù)檢測(cè)所測(cè)結(jié)構(gòu)位移場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)變化及分布,試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示.
由圖3可知,雙V附翼型負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)在受Y方向壓縮5mm后位移最大值為2.908mm,應(yīng)變最大值0.0134,由此可以得出在壓縮量為5mm條件下胞元結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力為21.44MPa.結(jié)合對(duì)雙V附翼型負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)構(gòu)件在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮速度(1mm/min)條件下進(jìn)行有限元仿真分析,得到理論計(jì)算、有限元仿真和實(shí)體試驗(yàn)的最大等效應(yīng)力σ結(jié)果(表1).由表1可知,試驗(yàn)結(jié)果、理論計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)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(nèi),分析其原因可能是實(shí)體模型3D打印過(guò)程中存在打印誤差,同時(shí)試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)儀器本身存在一定誤差引起.
2樹木圓條與進(jìn)料輥接觸面積仿真及試驗(yàn)
利用Solidworks三維建模軟件建立雙V附翼型負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)實(shí)體模型,導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYSGWorkbench/LSGDYNA組件進(jìn)行有限元模擬仿真(圖4).構(gòu)件整體為實(shí)體模型,規(guī)劃四面體網(wǎng)格,在計(jì)算Y方向軸向沖擊時(shí),基于圣維南原理以減少邊界條件對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,該結(jié)構(gòu)構(gòu)件X方向取5個(gè)胞元寬度單位,Y方向取8個(gè)胞元高度長(zhǎng)度,Z方向取1個(gè)胞元厚度單位.選定聚氨酯[13]作為該結(jié)構(gòu)的材料,聚氨酯具有優(yōu)異的彈性、機(jī)械性能強(qiáng)度高、耐疲勞性高、尺寸穩(wěn)定、蠕變小等優(yōu)點(diǎn),聚氨酯材料彈性模量E為66.1MPa,泊松比ν為0.36.對(duì)雙V附翼型負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行Y軸方向的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮和低速?zèng)_擊下的壓縮試驗(yàn),上壓板以沖擊速度v進(jìn)行壓縮構(gòu)件,下底板做固定約束,左右兩側(cè)自由.為保證變形的平面應(yīng)變狀態(tài),試件中所有節(jié)點(diǎn)面外位移均被限制.
根據(jù)實(shí)際工況下進(jìn)料輥在抱合動(dòng)作時(shí)受伐倒木軸向低速?zèng)_擊,探究雙V附翼型負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)受Y軸軸向低速?zèng)_擊力學(xué)特性研究和變形機(jī)制,在ANSYS中進(jìn)行雙V附翼型負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)壓縮構(gòu)件的低速?zèng)_擊,設(shè)定速度v=2m/s,選取受壓縮構(gòu)件的中間2個(gè)胞元計(jì)算所得的最大等效應(yīng)力的平均值作為計(jì)算結(jié)果,有限元仿真結(jié)果及分析如下.
2.1最大等效應(yīng)力
1)尺寸參數(shù)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(yīng)變條件下等效應(yīng)力幅值也隨之減小,可知隨著參數(shù)角度θ1由20°至40°的變化,各構(gòu)件進(jìn)入平臺(tái)應(yīng)力階段的應(yīng)變值也隨之增加,構(gòu)件θ1=20°、θ1=25°在應(yīng)變?yōu)?.3左右時(shí)進(jìn)入平臺(tái)應(yīng)力階段,而構(gòu)件θ1=30°、θ1=35°、θ1=40°則在應(yīng)變?yōu)?.3~0.6依次進(jìn)入應(yīng)力平臺(tái)階段.其中,由于構(gòu)件θ1=20°時(shí)最早完成致密化階段,最終等效應(yīng)力幅值較其余各組誤差大.排除應(yīng)變?yōu)?.75~1.0的數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果,即排除構(gòu)件受壓進(jìn)入致密化階段的過(guò)程,各組所測(cè)最終等效應(yīng)力隨著角度θ1由25°至40°的變化而逐漸增大.
根據(jù)胞元結(jié)構(gòu)和有限元應(yīng)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(jié)構(gòu)在受Y軸軸向壓縮時(shí)更易密實(shí)化,即更容易壓縮密實(shí),所以在應(yīng)變?yōu)?.75時(shí)各組所測(cè)的最終等效應(yīng)力隨著角度增大θ1(20°至40°)而逐漸減小.
2)尺寸參數(shù)角度θ2.由圖6可知,除θ2=60°外,隨著角度θ2由60°至80°,應(yīng)力G應(yīng)變曲線逐步平順;其中當(dāng)角度θ2為60°時(shí),相比于其他曲線最先出現(xiàn)應(yīng)力突變的表現(xiàn),即最早進(jìn)入應(yīng)力平臺(tái)階段,其余曲線整體變化趨勢(shì)基本相同.當(dāng)θ2變大時(shí),雙V附翼型負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力變化規(guī)律基本保持一致,但最大值依次減小.從結(jié)構(gòu)整體的變形情況來(lái)說(shuō),首先雙V附翼型結(jié)構(gòu)的受沖擊端和固定端發(fā)生彈性變形,但由于其負(fù)泊松比效應(yīng),變形區(qū)域有內(nèi)凹趨勢(shì),所以最終的整體變形模式呈中段收縮的形狀.排除應(yīng)變?yōu)?.75~1.0的數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果,即排除構(gòu)件受壓進(jìn)入致密化階段的過(guò)程,各組所測(cè)最終等效應(yīng)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(jié)構(gòu)的胞元樣式在θ1不變的條件下導(dǎo)致胞元上梁和下梁的夾角增大,上下V型構(gòu)造的頂點(diǎn)間距增大,使胞元上梁撓度增大,導(dǎo)致其胞元整體的等效應(yīng)力最大值逐漸減小;由于θ2變小,更易得到較大的等效應(yīng)力區(qū)間,但應(yīng)力波動(dòng)愈發(fā)劇烈.——論文作者：朱旭晨,王典,劉晉浩,黃青青
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