林木联合采育机进料辊填充蜂窝结构的力学特性
发布时间：2021-08-01 09:12
针对林木联合采育机作业过程中,进料辊定位原木、带动原木在机头内加速启动或减速停止时,由于进料辊与原木接触面积较小而造成的钉齿对原木损伤严重的问题,提出一种双V附翼型负泊松比（NPR）蜂窝结构以改变进料辊的刚度,增大进料辊与原木有效接触面积,从而减小对原木的损伤。通过分析双V附翼型NPR蜂窝结构特点,基于位移法建立其X和Y方向面内弹性常数的理论模型,并构建不同结构参数的实体模型,制备该结构胞元试验构件。通过有限元仿真研究了蜂窝胞元厚度（t）、胞元上夹角（θ2）、胞元下夹角（θ1）与胞元半宽（l）4组参数对该结构面内弹性常数的影响。结果表明:其Y方向等效弹性模量（Ey）随t的增大而增大,随θ1、l的增大而减小,θ2对其影响较小;X方向等效弹性模量（Ex）随t、θ1和θ2的增大而增大,随l的增大而减小,而泊松比值νxy和νyx只受θ1和θ2
【文章来源】：东北林业大学学报. 2020,48(06)北大核心CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
Y方向受均布载荷的蜂窝实体模型及胞元示意图
拉涨材料,也称为负泊松比(NPR)材料。当其受到单轴拉伸时会产生侧向膨胀现象,与传统的正泊松比材料相比,这种独特的“拉胀”行为,使它具有更强的力学性能,比如弹性模量、抗压强度和抗冲击性等,有关拉涨材料的应用已引起广泛关注[5-12]。基于凹形机构的力学特点,现有研究提出了不同形状的NPR蜂窝结构,并通过多种力学分析方法研究了不同冲击速度、密度和结构参数下的力学性能和能量吸收机理[13-20]。在工程应用方面,Wang et al.[21]提出了一种应用于悬挂式减震器的圆柱形NPR结构,将传统的冲击缓冲器和NPR的震动缓冲器组合成麦弗逊、双横臂和多连杆悬架的虚拟样机,进行单轮行程虚拟测试,研究了NPR振动缓冲器对悬架机械性能和车辆平顺性的影响。张伟等[22]提出了一种具有负泊松比效应的汽车前纵梁吸能盒结构,并建立了该结构胞元发生弹性屈曲和塑性塌陷时的临界应力公式,研究了胞元几何参数与平台应力的关系,通过对胞元平台区的失效模式和平台应力的分析,研究了此结构在失效时的力学性能。国内外已有很多关于将NPR蜂窝结构应用于辊型驱动结构的研究,例如一些蜂巢式非充气轮胎的研究[23-25]。本研究提出了一种基于NPR结构的林木联合采育机进料辊,如图2所示。可以看出,在进料辊外圈与进料辊轮毂之间填充一种双V附翼型NPR蜂窝结构,进料辊齿通过焊接、铆接、粘结等方式固定于该结构附翼上,附翼的长度和进料辊齿的直径相近。进料辊蒙皮是具备柔性与韧性等材料。当进料辊某个齿与伐倒木接触时,处于固定该齿的附翼相邻两边的胞元,能够满足受力压缩时,其与力垂直方向同时收缩,进料辊圆周工作面曲率降低,与伐倒木接触时的齿数增多,致使更多压缩后的胞元受力,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。
该结构的面内力学性能可能与l、θ1、θ2及t有关。图3中Fx为进料辊在带动原木在机头内加速启动或减速停止时受到原木运动方向的阻力,Fy为原木对进料辊的垂直压力,对两种受力情况单独进行分析。以Y方向上受力情况为例(图4),在建立胞元力学模型时,由于胞元关于y轴对称,所以仅取胞元的一半进行分析。把壁板简化成一条直线,图中的FHS是位于该胞元下面的胞元的长边,其中,HS、C0R、CQ表示胞元附翼壁板。胞元附翼的长度等于进料辊齿的半径,所以胞元附翼壁板所受到进料辊的垂直压力的载荷Fy简化为C点所受到的力PC,胞元壁A、B、C0、R在受到力PC的作用变形至A、F、C、Q,参数标注如图4所示。首先对胞元的长边l1进行分析,长边l1的受力以及变形示意图如图5a所示。其中,PC1是作用在C点的力PC分配到长边l1上的力。由力的平衡可得
【参考文献】：
期刊论文
[1]星型-箭头蜂窝结构的面内动态压溃行为[J]. 卢子兴,王欢,杨振宇,李响. 复合材料学报. 2019(08)
[2]负泊松比蜂窝抗冲击性能分析[J]. 侯秀慧,尹冠生. 机械强度. 2016(05)
[3]基于环形蜂窝芯结构的负泊松比机械超材料[J]. 蒋伟,马华,王军,王甲富,冯明德,屈绍波. 科学通报. 2016(13)
[4]基于Pro/ENGINEER的伐木头进料辊设计[J]. 卢杰,杨铁滨,邸向辉. 森林工程. 2014(06)
[5]蜂巢式塑料轮胎力学性能研究[J]. 王若云,贺建芸,丁玉梅,刘肖英,杨卫民,焦志伟. 工程塑料应用. 2014(09)
[6]新型负泊松比多孔吸能盒平台区力学性能[J]. 张伟,侯文彬,胡平. 复合材料学报. 2015(02)
[7]摩擦系数对支承辊次表层接触疲劳损伤的影响[J]. 孙大乐,秦晓峰,谢里阳,吴琼. 东北大学学报(自然科学版). 2014(05)
[8]免充气蜂巢式轮胎接地性能的有限元分析[J]. 张阁,杨卫民. 轮胎工业. 2013(11)
[9]基于有限元法的蜂窝夹层结构稳定性研究[J]. 张铁亮,丁运亮,金海波. 复合材料学报. 2012(03)
[10]蜂窝芯层的等效弹性参数[J]. 富明慧,尹久仁. 力学学报. 1999(01)
硕士论文
[1]基于形状记忆聚合物的可变形蜂窝结构力学性能研究[D]. 杜昀桐.哈尔滨工业大学 2016
[2]两种负泊松比蜂窝结构的数值分析及实验研究[D]. 张一帆.暨南大学 2015
本文编号：3315241
【文章来源】：东北林业大学学报. 2020,48(06)北大核心CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
Y方向受均布载荷的蜂窝实体模型及胞元示意图
拉涨材料,也称为负泊松比(NPR)材料。当其受到单轴拉伸时会产生侧向膨胀现象,与传统的正泊松比材料相比,这种独特的“拉胀”行为,使它具有更强的力学性能,比如弹性模量、抗压强度和抗冲击性等,有关拉涨材料的应用已引起广泛关注[5-12]。基于凹形机构的力学特点,现有研究提出了不同形状的NPR蜂窝结构,并通过多种力学分析方法研究了不同冲击速度、密度和结构参数下的力学性能和能量吸收机理[13-20]。在工程应用方面,Wang et al.[21]提出了一种应用于悬挂式减震器的圆柱形NPR结构,将传统的冲击缓冲器和NPR的震动缓冲器组合成麦弗逊、双横臂和多连杆悬架的虚拟样机,进行单轮行程虚拟测试,研究了NPR振动缓冲器对悬架机械性能和车辆平顺性的影响。张伟等[22]提出了一种具有负泊松比效应的汽车前纵梁吸能盒结构,并建立了该结构胞元发生弹性屈曲和塑性塌陷时的临界应力公式,研究了胞元几何参数与平台应力的关系,通过对胞元平台区的失效模式和平台应力的分析,研究了此结构在失效时的力学性能。国内外已有很多关于将NPR蜂窝结构应用于辊型驱动结构的研究,例如一些蜂巢式非充气轮胎的研究[23-25]。本研究提出了一种基于NPR结构的林木联合采育机进料辊,如图2所示。可以看出,在进料辊外圈与进料辊轮毂之间填充一种双V附翼型NPR蜂窝结构,进料辊齿通过焊接、铆接、粘结等方式固定于该结构附翼上,附翼的长度和进料辊齿的直径相近。进料辊蒙皮是具备柔性与韧性等材料。当进料辊某个齿与伐倒木接触时,处于固定该齿的附翼相邻两边的胞元,能够满足受力压缩时,其与力垂直方向同时收缩,进料辊圆周工作面曲率降低,与伐倒木接触时的齿数增多,致使更多压缩后的胞元受力,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。
该结构的面内力学性能可能与l、θ1、θ2及t有关。图3中Fx为进料辊在带动原木在机头内加速启动或减速停止时受到原木运动方向的阻力,Fy为原木对进料辊的垂直压力,对两种受力情况单独进行分析。以Y方向上受力情况为例(图4),在建立胞元力学模型时,由于胞元关于y轴对称,所以仅取胞元的一半进行分析。把壁板简化成一条直线,图中的FHS是位于该胞元下面的胞元的长边,其中,HS、C0R、CQ表示胞元附翼壁板。胞元附翼的长度等于进料辊齿的半径,所以胞元附翼壁板所受到进料辊的垂直压力的载荷Fy简化为C点所受到的力PC,胞元壁A、B、C0、R在受到力PC的作用变形至A、F、C、Q,参数标注如图4所示。首先对胞元的长边l1进行分析,长边l1的受力以及变形示意图如图5a所示。其中,PC1是作用在C点的力PC分配到长边l1上的力。由力的平衡可得
【参考文献】：
期刊论文
[1]星型-箭头蜂窝结构的面内动态压溃行为[J]. 卢子兴,王欢,杨振宇,李响. 复合材料学报. 2019(08)
[2]负泊松比蜂窝抗冲击性能分析[J]. 侯秀慧,尹冠生. 机械强度. 2016(05)
[3]基于环形蜂窝芯结构的负泊松比机械超材料[J]. 蒋伟,马华,王军,王甲富,冯明德,屈绍波. 科学通报. 2016(13)
[4]基于Pro/ENGINEER的伐木头进料辊设计[J]. 卢杰,杨铁滨,邸向辉. 森林工程. 2014(06)
[5]蜂巢式塑料轮胎力学性能研究[J]. 王若云,贺建芸,丁玉梅,刘肖英,杨卫民,焦志伟. 工程塑料应用. 2014(09)
[6]新型负泊松比多孔吸能盒平台区力学性能[J]. 张伟,侯文彬,胡平. 复合材料学报. 2015(02)
[7]摩擦系数对支承辊次表层接触疲劳损伤的影响[J]. 孙大乐,秦晓峰,谢里阳,吴琼. 东北大学学报(自然科学版). 2014(05)
[8]免充气蜂巢式轮胎接地性能的有限元分析[J]. 张阁,杨卫民. 轮胎工业. 2013(11)
[9]基于有限元法的蜂窝夹层结构稳定性研究[J]. 张铁亮,丁运亮,金海波. 复合材料学报. 2012(03)
[10]蜂窝芯层的等效弹性参数[J]. 富明慧,尹久仁. 力学学报. 1999(01)
硕士论文
[1]基于形状记忆聚合物的可变形蜂窝结构力学性能研究[D]. 杜昀桐.哈尔滨工业大学 2016
[2]两种负泊松比蜂窝结构的数值分析及实验研究[D]. 张一帆.暨南大学 2015
本文编号：3315241
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