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《华中农业大学》 2007年
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苎麻茎秆力学建模及有限元模拟分析研究

苏工兵  
【摘要】: 苎麻茎秆主要由韧皮纤维、木质部等组成。随着市场对苎麻纤维需求的增加,实现苎麻茎秆韧皮纤维与木质部的剥离一直是研究重点。研究苎麻韧皮纤维与木质部的剥离必须深入了解苎麻茎秆、韧皮纤维和木质部的力学性能及其差异,建立相应的力学模型。以期探讨在外载荷作用下其应力应变变化规律,为苎麻茎秆韧皮纤维与木质部剥离机械设计提供一定的理论指导。 研究农业物料的力学特性完全用理论分析和计算方法是比较困难的。本文在了解国内外物料的物理特性和力学特性的相关研究基础上,重点研究了茎秆、韧皮纤维、木质部三者的力学特性及外载荷作用下的应力应变变化。提出了三者的力学建模方法。假定苎麻茎秆是由韧皮纤维、木质部两种异质材料复合而成的复合材料,不考虑它们的性能差别。其表现性能是均质、线弹性,具有横观各向同性的本构关系。同时假定其组份韧皮纤维、木质部是线弹性、均质,具有横观各向同性的本构关系。并在此基础上,进行了苎麻茎秆、韧皮纤维、木质部的拉伸、压缩、弯折试验,获取了相关工程常数,并对数据进行处理分析,得出其最大值、平均值和最小值。以工程常数的平均值建立了相应的本构关系。 以试验获取平均几何尺寸、平均工程常数,将苎麻茎秆、韧皮纤维、木质部抽象为空心圆柱体分析模型。利用有限元软件对苎麻茎秆进行了横向均布静载荷作用下的模拟仿真分析。以反拉式剥麻机的滚筒几何尺寸和材料属性为依椐,模拟了苎麻茎秆的动载击打过程中应力、压力、打击深度的变化。主要研究成果如下: (1)确立了茎秆、木质部、韧皮纤维为横观各向同性的本构关系,以此为基础建立了弹性力学分析模型,推导其解析解的形式,求解满足边界条件精确解非常困难,选择有限单元法求出数值解。 (2)以苎麻茎秆的木质部、韧皮纤维、茎秆为试验对象,进行了拉伸、压缩、弯折试验。试验结果表明:木质部的杨氏弹性模量平均值为177.26MPa,最大抗拉强度平均值为32.25 MPa;韧皮纤维的杨氏弹性模量平均值为1909.08 MPa,最大抗拉强度平均值为82.51 MPa:茎秆的杨氏弹性模量的平均值为118.88 MPa。选择确定了木质部、韧皮纤维、茎秆横观各向同性本构关系中的参数。 (3)模拟分析了不同载荷作用下,木质部、韧皮纤维应力应变的变化规律。载荷为117.15N和254.29N时变形出现明显由韧皮纤维向木质部的过渡。 (4)模拟分析了在同一载荷作用下改变横向弹性模量时,木质部、韧皮纤维应力应变的变化规律。弹性模量取最大值时,最大变形区域位移变形发生韧皮纤维层;弹性模量为平均值时,最大变形发生在接触面;弹性模量为最小值时,最大变形在木质部。 (5)提取了苎麻茎秆最大等效应力图以及最大等效应力时的单元格压力时间曲线和位移时间曲线。通过比较分析:当苎麻茎秆的输入速度为固定值时其最大等效应力值、最大单元格压力和位移值随着滚筒转速的增加而降低。当改变苎麻茎秆输入速度,滚筒转速为相应速度等级时,茎秆输入速度小,其最大等效应力值,单元格最大压力值均小于高速输入时相应的值。
【学位授予单位】:华中农业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:S563.1

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