劉曉紅，邱立春

(1.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110161；2. 青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266109)

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振動(dòng)深松鏟土壤切削有限元模擬分析
—基于ANSYS/LS_DYNA

劉曉紅1,2，邱立春1

(1.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110161；2. 青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266109)

為了分析振動(dòng)式深松機(jī)在耕作過(guò)程中深松鏟與土壤之間的相互作用關(guān)系，首先研究了國(guó)內(nèi)外采用有限元分析方法研究土壤切削問題的工作進(jìn)展情況。為揭示振動(dòng)深松減阻本質(zhì)，借助ANSYS/LS-DYNA971軟件，構(gòu)建了深松鏟和土壤的有限元仿真模型，并選用MAT_FHWA_SOIL和線彈材料分別作為土壤和深松鏟的材料模型。將UG中的運(yùn)動(dòng)仿真數(shù)據(jù)作為深松鏟載荷數(shù)據(jù)，通過(guò)Excel文件導(dǎo)入，對(duì)深松鏟切削土壤的工作工程進(jìn)行模擬，得出了深松鏟切削土壤過(guò)程功耗的變化和深松鏟在工作過(guò)程的等效應(yīng)力(von Mises stress)情況，為深松鏟結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化提供了依據(jù)。

有限元模擬；土壤切削；振動(dòng)式深松機(jī)；ANSYS/LS_DYNA

0 引言

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)和國(guó)際上有關(guān)有限元仿真模擬在討論土壤切削的研究熱點(diǎn)上得到了更為廣泛的應(yīng)用和深入發(fā)展，主要的研究熱點(diǎn)從是否考慮土壤動(dòng)態(tài)角度分為土壤準(zhǔn)靜態(tài)切削研究和考慮動(dòng)態(tài)因素對(duì)土壤切削影響兩方面。二者互為補(bǔ)充，促進(jìn)共同發(fā)展。

1985年，Xie X 和Zhang D[8]使用三維非線性有限元展開對(duì)土壤切削過(guò)程的仿真模擬，仿真過(guò)程中考慮了動(dòng)態(tài)因素對(duì)切削性能的影響。1993年，Kushwaha[1]采用了三維非線性有限元軟件對(duì)土壤切削問題進(jìn)行了研究，仿真過(guò)程中針對(duì)粘土土壤，并考慮了耕作部件形狀對(duì)切削性能的影響，所選用的耕作部件包含矩形、三角形和曲線形狀，并做了對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：曲線形狀的耕作部件可以得到相對(duì)更佳的耕作效果。1995年，Kushwaha和Shen J[9]在有限元仿真分析過(guò)程引用Newmark自增迭代積分的概念，考慮了高速運(yùn)行的耕作部件在粘土中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及部件材料和幾何非線性。同年，Araya K和Gao R[2]研制了帶高壓空氣射流的深耕鏟，在土槽試驗(yàn)臺(tái)中進(jìn)行了試驗(yàn)研究，同時(shí)使用三維有限元軟件模擬了土壤切削過(guò)程，二者數(shù)據(jù)吻合較好。Abdul 和Miklos在研究土壤切削問題中選用了非線性三維有限元軟件，模擬分析過(guò)程中，土壤材料選用Drucker-Prager非線性彈塑性模型，并考慮增量積分、深松鏟選用組合式，以及不同寬度和角度的刀柄與刀頭組合方式對(duì)切削性能的影響。1999年，Rosa U A[10]對(duì)窄齒形狀的耕作機(jī)具切削土壤過(guò)程進(jìn)行了有限元模擬仿真，在仿真過(guò)程中逐一考慮了材料屬性的粘性和慣性因素對(duì)土壤切削性能的影響，根據(jù)試驗(yàn)?zāi)芎姆治龅贸鲱A(yù)測(cè)土壤切削過(guò)程的動(dòng)力需求方程。同年，F(xiàn)ielke J M[3]在土壤切削研究中考慮了耕作部件刃口的幾何形狀對(duì)切削性能的影響，研究中使用二維有限元模擬仿真耕作過(guò)程，結(jié)果表明：仿真過(guò)程中的牽引力以及耕作部件周邊土壤破碎情況均與試驗(yàn)結(jié)果吻合。2002年，郭志軍等[4]在研究土壤切削問題中使用二維有限元分析軟件，耕作部件設(shè)定為拋物面和直線面、部件的本構(gòu)關(guān)系假設(shè)為理想的彈塑性，仿真結(jié)果可以得出拋物線型耕作部件對(duì)土壤的切削性能明顯優(yōu)于直線型耕作部件。2003年，Abo-Elnor M[5]等人對(duì)沙土的動(dòng)態(tài)土體切削問題進(jìn)行了深入研究，并利用ABAQUS有限元分析軟件對(duì)整個(gè)切削過(guò)程進(jìn)行了仿真模擬；模擬過(guò)程中在土壤中預(yù)定義了失效面，從而得出土壤失效裂紋，并進(jìn)一步研究了不同的切削速度和切削角度下裂紋變化情況。2005年，Karmaker等人[6]使用流體動(dòng)力學(xué)軟件CFX來(lái)研究土壤切削問題，設(shè)定土壤描述為Bingham粘塑性材料用以進(jìn)一步模擬刀具附近土壤流動(dòng)的情況。Kushwaha和Zhang Z X[7]在研究土壤切削的問題采用有限元仿真分析方法，并得出了影響土壤切削性能的主要因素包含土壤的初始狀態(tài)、土壤切削部件的形狀及其運(yùn)動(dòng)情況。2007年，丁峻宏等[11]分別采用ALE方法和SPH方法研究了耕作部件對(duì)土壤的切削性能，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合。

由于土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，應(yīng)用有限元分析土壤耕作切削問題時(shí)，要建立土壤應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系模型；在研究土壤高速切削問題時(shí)，還應(yīng)考慮土壤變形失效和土壤-耕作部件動(dòng)態(tài)接觸等因素的影響，通過(guò)建立耕作部件-土壤力學(xué)優(yōu)化模型，優(yōu)化耕作部件構(gòu)型，為高效節(jié)能型土壤耕作部件性能分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)[12-17]。

1 深松機(jī)原理簡(jiǎn)介

本試驗(yàn)所用的振動(dòng)式深松機(jī)，主要由支架、機(jī)架、偏心軸、軸掛接器、連桿、開溝器、深松鏟及限深輪等組成，如圖1所示。深松鏟振動(dòng)動(dòng)力由土槽實(shí)驗(yàn)臺(tái)車后側(cè)變頻電機(jī)動(dòng)力輸出軸通過(guò)萬(wàn)向傳動(dòng)軸經(jīng)偏心軸一端十字花鍵輸入，偏心軸另一端將做往復(fù)圓周運(yùn)動(dòng)，再通過(guò)軸掛接器及鉸接在機(jī)架上的連桿帶動(dòng)深松鏟產(chǎn)生垂直方向的振動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤的深松作業(yè)[4-7]。振動(dòng)式深松機(jī)的三維模型是在UG中建立的，深松鏟的運(yùn)動(dòng)軌跡可以在UG中作運(yùn)動(dòng)仿真得到，將其存入Excel文件，用以對(duì)深松鏟仿真過(guò)程的載荷添加。

1.限深輪 2.深松鏟 3.偏心輪 4.機(jī)架 5.開溝器 6.支架

2 有限元模型

2.1 模型建立及材料定義

圖2為土壤和深松鏟的三維實(shí)體建模。其中，深松鏟模型由UG對(duì)深松鏟鏟頭和鏟柄分別建模及裝配，并在ANSYS環(huán)境中通過(guò)前處理軟件UG專用接口導(dǎo)入(安裝必要的組件)；而土壤模型相對(duì)簡(jiǎn)單，直接在LS-DYNA環(huán)境下對(duì)其進(jìn)行實(shí)體建模。

ANSYS/LS-DYNA要求所選用的單位制一定要封閉，否則得不到正確的分析數(shù)據(jù)，本文中所有模型和計(jì)算均采用kg-m-s-N單位制。在網(wǎng)絡(luò)劃分前要進(jìn)行相關(guān)單元屬性和材料設(shè)置。首先添加1個(gè)SOLID164實(shí)體單元，用于三維的顯示結(jié)構(gòu)實(shí)體單元，8個(gè)節(jié)點(diǎn)六面體單元，并設(shè)置其屬性為一點(diǎn)Lagrangian積分加上粘性沙漏控制。有限元顯示動(dòng)力分析過(guò)程最耗費(fèi)CPU的一項(xiàng)作業(yè)就是單元的計(jì)算，這是因?yàn)榉e分點(diǎn)的數(shù)目龐大且其數(shù)目與所用CPU時(shí)間基本成正比，本文仿真過(guò)程中采用簡(jiǎn)化積分，可大大節(jié)省CPU時(shí)間，但與此同時(shí)可能帶來(lái)的后果就是出現(xiàn)零能模式(沙漏模態(tài))。沙漏變形可以通過(guò)結(jié)構(gòu)體積粘性來(lái)組織，參數(shù)設(shè)置為1.5和0.06。其次，完成材料定義。深松鏟的鏟柄和鏟頭材料均為金屬，由于其所有方向的材料特性相同的特點(diǎn)，仿真中選用線彈性材料，設(shè)置輸入?yún)?shù)分別為密度7 860kg/m3，泊松比0.288，彈性模量209GPa。土壤參數(shù)較為復(fù)雜，在LS-DYNA中不能完成設(shè)置，需要修改K文件，因此仍將其設(shè)為線彈性材料，參數(shù)設(shè)置同上。

圖2 土壤和深松鏟的三維實(shí)體建模

仿真過(guò)程中土壤材料的選擇至關(guān)重要，本文在ANSYS材料指定中將土壤材料和深松鏟材料設(shè)置成相同即可，K文件修改為MAT_FHWA_SOIL材料。在數(shù)值模擬中土壤材料具體的參數(shù)設(shè)置及取值在UE軟件中修改如圖3所示。

圖3 有限元仿真材料定義

2.2 模型的網(wǎng)絡(luò)劃分

分別完成土壤和深松鏟網(wǎng)絡(luò)劃分，土壤模型比較規(guī)范，采用手動(dòng)劃分；深松鏟采用智能網(wǎng)絡(luò)劃分。其中，兩個(gè)組件，深松鏟組件由42 808個(gè)單元組成，土壤由22 500個(gè)單元組成，網(wǎng)絡(luò)劃分后的有限元模型如圖4所示。

圖4 土壤和深松鏟的網(wǎng)絡(luò)劃分

2.3 模型的載荷加載

施加載荷之前，首先要進(jìn)行參數(shù)定義。定義載荷曲線的縱坐標(biāo)Y和橫坐標(biāo)X均為2000×1的數(shù)組，由于本文中所涉及的載荷數(shù)據(jù)量龐大，不適合通過(guò)數(shù)組方式輸入。在UG仿真過(guò)程中的仿真數(shù)據(jù)存儲(chǔ)成為Excel文件并轉(zhuǎn)為txt文件，此處通過(guò)數(shù)據(jù)調(diào)用獲得載荷數(shù)組。施加載荷后，深松鏟可以在X、Y方向運(yùn)動(dòng)，Z方向位移約束為零。同時(shí)，在土壤底部施加全約束，即固定不動(dòng)，施加載荷和約束后的有限元模型如圖5所示，所施加的載荷波形如圖6所示(機(jī)具前進(jìn)速度為0.5m/s，振動(dòng)頻率為12Hz，振動(dòng)幅值為10mm，載荷為水平方向位移載荷和垂直方向位移載荷)。文中用一個(gè)有限域來(lái)表示廣闊的地面，需要在模型外部使用非反射邊界限制模型的整體尺寸。在土壤的3個(gè)側(cè)面施加非反射邊界用以防止在邊界產(chǎn)生的人工應(yīng)力波反射重新進(jìn)入模型從而影響仿真結(jié)果。

圖5 土壤和深松鏟施加約束和載荷后的有限元模型

(a) 水平載荷 (b) 垂直載荷

2.4 模型的K文件修改

在ANSYS前處理器對(duì)導(dǎo)入的三維模型進(jìn)行材料設(shè)置、網(wǎng)絡(luò)劃分、載荷加載和邊界條件設(shè)定后，還要對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，以便在LS-DYNA后處理器中分析仿真結(jié)果。這期間的大部分參數(shù)設(shè)置都需要通過(guò)修改K文件來(lái)完成，這是由于K文件是連接ANSYS前處理器和LS-DYNA后處理器的關(guān)鍵文件。本文使用UltraEdit軟件對(duì)K文件進(jìn)行了相應(yīng)的修改。

K文件修改包含兩大部分，固定數(shù)值和需要根據(jù)實(shí)際仿真情況和后續(xù)分析需求要適時(shí)調(diào)整的參數(shù)。刪除有限元仿真模型指定的土壤材料及其參數(shù)，設(shè)定材料關(guān)鍵字為*MAT_FHWA_SOIL，并根據(jù)材料的參數(shù)說(shuō)明結(jié)合土壤測(cè)定實(shí)驗(yàn)設(shè)置其屬性值，各屬性值之間用“，”或空格分割。以上數(shù)值為固定參數(shù)，設(shè)置后基本不需要修改。*CONTACT_ERODING_SURFACE_ TO_SUR_FACE關(guān)鍵字是控制部件之間面面接觸的侵蝕算法因子，修改為0.1，并添加*CONTROL _CONTACT關(guān)鍵字，用于接觸剛度。二者值的大小可根據(jù)仿真結(jié)果適當(dāng)修改，直到得到滿意結(jié)果。修改*CONTROL_TIMESTEP關(guān)鍵字，用以控制輸出時(shí)間步數(shù)。這部分?jǐn)?shù)據(jù)為可調(diào)整數(shù)據(jù)，根據(jù)仿真結(jié)果做適當(dāng)調(diào)整。此外，網(wǎng)絡(luò)劃分也直接影響仿真結(jié)果，如劃分過(guò)細(xì)導(dǎo)致計(jì)算量過(guò)大可能導(dǎo)致仿真不能完成或時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

3 切削過(guò)程仿真與結(jié)果分析

建立好深松鏟土壤切削有限元模型(即完成單元、材料性質(zhì)以及實(shí)體建模和網(wǎng)絡(luò)劃分)，完成接觸界面定義、約束、載荷和初始條件設(shè)置后，設(shè)置好求解控制參數(shù)，得到LS-DYNA輸入文件Jobname.K，將其提交給LS-DYNA Solver求解，最后在LS-PrePost -4.0-X64中查看仿真結(jié)果。本文仿真時(shí)間步數(shù)較多，得到75個(gè)d3plot文件，導(dǎo)入就可以分別觀察到深松鏟切削土壤過(guò)程中的應(yīng)力分布、能耗曲線及質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)形態(tài)等，這些可以通過(guò)圖形、表格以及動(dòng)畫形式展現(xiàn)出來(lái)。

在仿真分析過(guò)程中，土壤底部固定不動(dòng)，四周非反射約束，深松鏟根據(jù)不同的工作加載載荷約束，非振動(dòng)狀態(tài)下僅僅加載水平載荷，振動(dòng)狀態(tài)下加載水平和垂直載荷。深松鏟前進(jìn)過(guò)程中在0.12s與土壤接觸，兩者接觸后，深松鏟鏟尖開始切削土壤；0.18s之后深松鏟完全沒入土壤，整個(gè)切削過(guò)程組圖如圖7所示。本文主要分析在特定工況下深松鏟切削土壤過(guò)程，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比，適當(dāng)調(diào)整參數(shù)設(shè)置，為振動(dòng)式深松鏟減阻機(jī)理研究提供可靠的仿真模型。

(a) 0.129s (b) 0.439s

(c)0.874s (d) 1.235s

圖8為振動(dòng)深松過(guò)程深松鏟能耗曲線(Part Kinetic Energy部件動(dòng)能損耗，單位為kW，部件為深松鏟)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)(機(jī)具前進(jìn)速度0.5m/s、振動(dòng)頻率12Hz、振動(dòng)幅值10mm時(shí)，功耗2.82kW)[18-21]對(duì)比，平均功耗2.64kW略小于試驗(yàn)數(shù)據(jù)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證仿真數(shù)據(jù)的可信度，分別更改加載數(shù)據(jù)使得機(jī)具前進(jìn)速度分別為0.2、0.8、1.1、1.3、1.5、1.78m/s時(shí)的仿真分析。仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較分析，如圖9所示。

圖8 振動(dòng)深松過(guò)程深松鏟能耗曲線

圖9 振動(dòng)深松過(guò)程試驗(yàn)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比

由圖9中可見：試驗(yàn)和仿真數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)一致，隨著機(jī)具前進(jìn)速度的增加，二者誤差略有增加；在整個(gè)速度范圍內(nèi)試驗(yàn)切削功耗和仿真模擬計(jì)算功耗的相對(duì)誤差在11%以內(nèi)，因仿真過(guò)程中土壤和深松鏟材料是在一定假設(shè)條件下建立的，其結(jié)果可信。

圖10所示為振動(dòng)深松機(jī)具在切削土壤過(guò)程中某些時(shí)刻VonMisesstress的分布。由圖10可知：Mises等效應(yīng)力在深松鏟的各部分隨時(shí)間變化而變化。這主要是因?yàn)樯钏社P剛剛接觸土壤并逐步切入過(guò)程中：深松鏟剛開始接觸土壤時(shí)，引力集中與鏟尖；當(dāng)鏟柄開始接觸土壤時(shí)，鏟柄與鏟尖連接處成為應(yīng)力集中區(qū)域，隨著與土壤接觸面變化而增加，并呈現(xiàn)不動(dòng)形態(tài)，最大應(yīng)力小于非振動(dòng)深松過(guò)程。與之相對(duì)應(yīng)的土壤應(yīng)力也成波動(dòng)向機(jī)具前進(jìn)方向放射，這一現(xiàn)象有利于土壤松散和破碎，降低機(jī)具功耗。

(a) 0.295s (b) 0.595s

(c) 0.629s (d) 0.675s

(e) 0.83s (f) 0.995s

4 結(jié)論

1)土壤采用MAT147的本構(gòu)模型，深松鏟采用線彈性材料，網(wǎng)絡(luò)劃分為手動(dòng)和自動(dòng)相結(jié)合。仿真過(guò)程順利，結(jié)果可信。

2)仿真過(guò)程中，深松鏟剛剛接觸土壤并逐步切入過(guò)程中：深松鏟剛開始接觸土壤時(shí)，引力集中與鏟尖，當(dāng)鏟柄開始接觸土壤時(shí)，鏟柄與鏟尖連接處成為應(yīng)力集中區(qū)域，隨著與土壤接觸面變化而增加，并有較大的Mises等效應(yīng)力值集中，因此在實(shí)際切削時(shí)可以考慮材料和性質(zhì)的優(yōu)化。

3)土壤振動(dòng)切削過(guò)程中，應(yīng)力成波動(dòng)向機(jī)具前進(jìn)方向放射，這一現(xiàn)象有利于土壤松散和破碎，降低機(jī)具功耗。

4)ANSYS/LS-DYNA軟件可以很好地模擬振動(dòng)深松鏟切削土壤過(guò)程中的機(jī)具功耗及受力情況，為深松鏟結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化提供依據(jù)。

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Finite Element Simulation and Analysis of Aoil Cutting Based on ANSYS/LS_DYNA Software with an Oscillating Subsoiler

Liu Xiaohong1,2, Qiu Lichun1

(1.Shenyang Agricultural University, College of Engineering, Shenyang 110161,China; 2. Qingdao Agricultural University, Mechanical and Electrical Engineering College, Qingdao 266109,China)

In order to analyze of soil cutting with an oscillating subsoiler in farming process, this paper analyzed the current situation and development trend of the finite element analysis method of soil cutting problem of work in progress at first. And then, the finite element simulation model of deep loosening shovel and soil was constructed with ANSYS/LS-DYNA971 software for revealing the nature of reducing the resistant.The material model of the soil and the deep loosening shovel was selected by the MAT_FHWA_SOIL and the linear elastic material. The motion simulation data of UG software was used in this paper as the load data of the deep loosening shovel which imported as the excel file. The working engineering of deep loosening soil was simulated, and the variation of soil process power and the equivalent stress (Mises stress von) in the process of working process were obtained. And it could be as the basis for optimizing the structure parameters of the deep loosening shovel.

finite element simulation; soil cutting； oscillating subsoiler; ANSYS/LS_DYNA

2015-11-23

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51175354)

劉曉紅(1980-)，女，山東青島人，博士研究生，(E-mail)lxh964@126.com。

邱立春(1957-)，男，沈陽(yáng)人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)qlccn@126.com。

S222.3

A

1003-188X(2017)01-0019-06