李霞+張思遠(yuǎn)+王維新+湯明軍+郭金龍

摘要： 為降低耕作阻力，揭示深松鏟與土壤之間的關(guān)系特性，根據(jù)深松鏟切削土壤的工作特點(diǎn)，利用LS-DYNA模擬分析深松鏟切削土壤的過(guò)程，獲得切削土壤的應(yīng)力變化規(guī)律。結(jié)果表明，當(dāng)深松鏟以0.49 m/s的初速度切削、深松深度為250 mm時(shí)，單個(gè)深松鏟的最大切削阻力為2 230 N，土壤在1.75 s發(fā)生崩裂，達(dá)到深松效果。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，單個(gè)深松鏟受力約為2 332.5 N，與仿真誤差為4.5%，驗(yàn)證了仿真的合理性，仿真數(shù)據(jù)結(jié)果可以為實(shí)際深松過(guò)程提供參考。

關(guān)鍵詞： 土壤；切削；有限元法；深松鏟；LS-DYNA模擬分析；阻力仿真

中圖分類號(hào)： S222.19 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2017）22-0257-03

深松鏟是深松的核心部件，通過(guò)深松可以改善土壤三相比，從而促進(jìn)植物的生長(zhǎng)[1]。然而，深松過(guò)程中有特別大的阻力。因此，須要探明在深松土壤切削過(guò)程中阻力的變化規(guī)律，達(dá)到減少阻力的目的。

在以往關(guān)于土壤切削的研究中，主要采用試驗(yàn)方法，但試驗(yàn)具有受外界環(huán)境因素影響大且經(jīng)費(fèi)多、周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)[2]。近50年來(lái)，隨著數(shù)值分析模擬技術(shù)的發(fā)展，為研究土壤切削提供了一種新的方法。數(shù)學(xué)模擬切削土壤方法主要包括傳統(tǒng)分析方法、有限單元法（finite element method，簡(jiǎn)稱FEM）、離散單元法（distinct element method，簡(jiǎn)稱DEM）[3]。近年來(lái)，多利用有限元法研究土壤切削問(wèn)題，通過(guò)模擬仿真，可以方便清楚地觀察到土壤和工作部件的情況，例如土壤的運(yùn)移狀況、破壞位置和工件部件各部分的受力狀態(tài)。這些模擬仿真數(shù)據(jù)為耕作部件的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

針對(duì)土壤非線性不均勻的特性，本研究采用動(dòng)力分析方法探討深松鏟對(duì)土壤的切削過(guò)程，通過(guò)顯式非線性動(dòng)力分析軟件ANSYS/LS_DYNA來(lái)進(jìn)行深松鏟切削土壤的數(shù)值模擬，建立深松鏟深松工作過(guò)程的有限元仿真模型，對(duì)深松過(guò)程進(jìn)行三維數(shù)值仿真研究。

1 有限元建模

1.1 土壤模型

ANSYS/LS-DYNA 12.1程序材料庫(kù)中193號(hào)材料（MAT_DRUCKER_PRAGER）模型是一種彈塑性本構(gòu)模型。由于這種材料本構(gòu)模型能準(zhǔn)確地體現(xiàn)土壤特性，簡(jiǎn)單實(shí)用而且能夠得到準(zhǔn)確的結(jié)果，所以被廣泛地用于模擬巖土材料中，具體參數(shù)取值見表1[4]。Mohr-Coulomb屈服條件通常被使用在土壤切削仿真中，但其有不可忽略的缺點(diǎn)：它的屈服面在平面上表現(xiàn)為特殊的等邊六邊形（具有棱角奇異性的不等角），這大大增加了數(shù)值計(jì)算的困難。與Mohr-Coulomb屈服條件相比，Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則不僅計(jì)算簡(jiǎn)單，而且在選擇恰當(dāng)材料常數(shù)的前提下，就可以尋找到與之匹配的Coulomb模型?；谝陨媳容^，本研究采用改進(jìn)擴(kuò)展后的Drucker-Prager準(zhǔn)則[5]，即：

式中：C為偏應(yīng)力第3應(yīng)力不變量；I為單軸拉伸屈服應(yīng)力與單軸壓縮屈服應(yīng)力比值；F1為凝聚力；為材料摩擦角；F2為Mises等效應(yīng)力；F3為平均壓應(yīng)力；σ1、σ2、σ3為3個(gè)方向的主應(yīng)力；t為應(yīng)力。

選定土壤的實(shí)體模型為800×800×800的立方體，由于模型比較簡(jiǎn)單，所以直接在ANSYS中生成。土壤選用solid164單元，這種單元常用于三維顯示結(jié)構(gòu)實(shí)體，由8個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成而且支持所有許可的非線性特性，對(duì)土壤采用智能網(wǎng)格劃分，選擇土壤模型的12條邊，設(shè)置網(wǎng)格數(shù)為20，單元形狀采用六面體8個(gè)節(jié)點(diǎn)，劃分為9 261個(gè)節(jié)點(diǎn)，8 000個(gè)單元[6]。

1.2 深松鏟模型

ANSYS在構(gòu)建復(fù)雜實(shí)體模型方面比較薄弱，所以本研究利用SolidWorks構(gòu)建深松鏟模型并通過(guò)接口導(dǎo)入到ANSYS中[7]。深松鏟采用 65Mn材料，其密度為7.8×103 kg/m3，彈性模量為2.10萬(wàn)MPa，泊松比為0.3。由于深松鏟是一個(gè)整體，所以采用計(jì)算精度較高的四面體單元solid45單元類型，采用智能自由網(wǎng)格劃分方法對(duì)深松鏟模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)定尺寸級(jí)別為5級(jí)，為減小應(yīng)力集中的影響，在深松鏟鏟刃部分進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，深松鏟劃分為12 724個(gè)節(jié)點(diǎn)， 19 046 個(gè)單元。在建立土壤-深松鏟數(shù)值模擬模型時(shí)，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分后如圖1所示。

1.3 創(chuàng)建單元

為了給后面定義接觸類型和施加邊界條件作基準(zhǔn)，要先創(chuàng)建單元（簡(jiǎn)稱PART）。PARTS是1個(gè)單元集合體，它是由相同單元類型、材料號(hào)和實(shí)常數(shù)組成的。若要生成PARTS，必須要求選擇所有實(shí)體。本案例生成的PARTS結(jié)果如圖2所示，其中1代表深松鏟模型，2代表土壤模型。網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量相當(dāng)是能夠計(jì)算的必要條件，從圖2可以看出，深松鏟模型和土壤模型網(wǎng)格數(shù)量相當(dāng)，這為后續(xù)計(jì)算提供了可能。

1.4 定義接觸

ANSYS/LS_DYNA12.1接觸類型多種多樣，而且與接觸類型對(duì)應(yīng)的還有許多可選擇接觸的分析方式，所以在描述深松的過(guò)程中，要選擇恰當(dāng)?shù)念愋秃蛥?shù)。深松過(guò)程是利用深松鏟來(lái)使堅(jiān)硬的土壤破碎，在計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)中，這種工作狀況就是土壤材料單元的失效。在破碎土壤后，土壤材料的外部單元常常無(wú)法與深松鏟接觸，為了避免這一情況的發(fā)生，將深松鏟與土壤之間的接觸類型定義為面與面接觸中的侵蝕接觸（eroding surface-to-surface contact，簡(jiǎn)稱ESTS）。深松鏟與土壤之間靜摩擦系數(shù)為0.60，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.32。

1.5 施加邊界條件和載荷

由于實(shí)際土壤立方體材料尺寸足夠大，所以為保證土壤結(jié)構(gòu)在整個(gè)侵徹過(guò)程中不發(fā)生移動(dòng)，定下表面為固定表面，施加全約束，土壤頂部為自由邊界，其他面均設(shè)想為無(wú)限大區(qū)域，采用無(wú)反射邊界約束[8]。為了節(jié)約計(jì)算時(shí)間，將土壤的左右側(cè)面也固定起來(lái)，為土壤前后端面施加無(wú)反射邊界條件。由于深松鏟采用的是剛體材料，只須施加在其質(zhì)心上。對(duì)深松施加Z方向的位移約束，限制深松鏟的左右晃動(dòng)，并約束深松鏟3個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。endprint

2 結(jié)果與分析

2.1 求解

上述操作完成后，進(jìn)入求解分析階段。首先設(shè)置求解時(shí)間，若設(shè)置值較大，則會(huì)延長(zhǎng)計(jì)算時(shí)間，而且一般物理過(guò)程的計(jì)算終止時(shí)間多為毫秒級(jí)，因此，設(shè)置求解時(shí)間為0.4 s，設(shè)置輸出步數(shù)為20步。設(shè)置完成后，選擇輸出文件類型，輸出關(guān)鍵字文件遞交給LS-DYNA求解，并通過(guò)后處理程序打開結(jié)果文件，進(jìn)行分析。

2.2 結(jié)果分析

載荷大小影響土壤狀態(tài)。隨著外力的變化，土壤會(huì)依次經(jīng)過(guò)線彈性—塑性—屈服—硬化這幾個(gè)狀態(tài)，在土壤硬化后繼續(xù)加載，則土壤開始失效，直至最終破裂[9]。圖3描述了深松深度為250 mm的土壤深松過(guò)程。在深松工作過(guò)程中，首先是深松鏟鏟尖接觸土壤，由于受到深松鏟鏟尖的擠壓和剪切作用，土壤發(fā)生變形和破壞。隨著深松工作的繼續(xù)，深松鏟前進(jìn)并且產(chǎn)生一定振動(dòng)，此時(shí)深松鏟鏟柄也和土壤相互接觸，導(dǎo)致土壤被剪切擠壓的越發(fā)明顯，受到的力也顯著加大，被破壞的面積和進(jìn)給方向的深度也增加，后面還未與深松鏟接觸的土壤由于受到前面被深松鏟擠壓破壞后土壤的擠壓也逐漸開始變形，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)深松土壤的變形破壞，達(dá)到深松的目的[10]。觀察1個(gè)周期深松鏟對(duì)土壤的深松過(guò)程，整個(gè)過(guò)程結(jié)果輸出20步。在1.25 s時(shí)，深松鏟開始和土壤接觸，并以049 m/s的初始速度開始深松土壤，由于受到深松鏟的剪切力作用，土壤狀態(tài)開始發(fā)生改變；在1.5 s時(shí)，因受深松鏟的剪切力和擠壓力作用，土壤在沿深松鏟前刀面方向上發(fā)生變形失效，此時(shí)切削阻力最大，達(dá)到2 230 N。在1.75 s時(shí)，土壤發(fā)生崩裂。深松鏟繼續(xù)前進(jìn)，后面的土壤也被深松。由此可見，通過(guò)仿真模擬可以較為直觀地觀察出深松鏟深松工作過(guò)程中土壤的狀態(tài)變化。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

為驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，在新疆石河子市石河子大學(xué)教學(xué)試驗(yàn)場(chǎng)二連進(jìn)行了試驗(yàn)。在試驗(yàn)田內(nèi)選擇1塊地勢(shì)比較平坦的未耕作土地，并在試驗(yàn)前按照振動(dòng)深松機(jī)組試驗(yàn)方案的要求對(duì)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行規(guī)劃。確定長(zhǎng)60 m（兩側(cè)各自留出 10 m 長(zhǎng)的調(diào)整區(qū)，用于調(diào)整拖拉機(jī)的工作狀態(tài)）、寬50 m的區(qū)域?yàn)檎駝?dòng)深松機(jī)樣機(jī)的試驗(yàn)場(chǎng)地，并在試驗(yàn)場(chǎng)地的兩側(cè)插上標(biāo)桿，保證拖拉機(jī)在規(guī)劃的區(qū)域內(nèi)行駛。試驗(yàn)設(shè)備主要有振動(dòng)深松機(jī)樣機(jī)1臺(tái)，雷沃M800-D型拖拉機(jī)1臺(tái)，黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院研制的田間機(jī)械動(dòng)力學(xué)參數(shù)遙測(cè)儀1套。

3.2 試驗(yàn)內(nèi)容

將振動(dòng)深松機(jī)樣機(jī)與拖拉機(jī)3點(diǎn)懸掛連接，拖拉機(jī)的后置動(dòng)力輸出軸通過(guò)萬(wàn)向聯(lián)軸器與樣機(jī)的動(dòng)力輸入軸相連。拖拉機(jī)以慢二擋前進(jìn)（秒表測(cè)得行駛40 m耗時(shí)82 s），當(dāng)拖拉機(jī)進(jìn)入測(cè)定區(qū)域時(shí)，記錄遙測(cè)儀數(shù)據(jù)，并且重復(fù)試驗(yàn)3次。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)拖拉機(jī)以慢二擋前進(jìn)（秒表測(cè)得行駛40 m耗時(shí)82 s）時(shí)，重復(fù)3次試驗(yàn)，采集的數(shù)據(jù)如圖4所示。

由圖4可見，在深松作業(yè)過(guò)程中，3次試驗(yàn)的平均阻力分別為9.35、9.74、8.9 kN，則試驗(yàn)深松機(jī)阻力平均值為9.33 kN；在試驗(yàn)過(guò)程中，深松機(jī)共有4鏟同時(shí)工作，且工況相同，所以單鏟的力約為F=9.33/4=2.33 kN，試驗(yàn)力與仿真得到的力的誤差為4.5%，因此利用仿真的方法來(lái)研究深松鏟的土壤切削是合理可行的，同時(shí)也驗(yàn)證了該切削模型的正確性。

4 結(jié)論

通過(guò)建立深松鏟-土壤的切削有限元模型，利用LS-DYNA進(jìn)行數(shù)值分析，結(jié)果顯示，當(dāng)深松鏟以0.56 m/s的初速度切削、深松深度250 mm時(shí)，單個(gè)深松鏟最大切削阻力為2 230 N，土壤在1.75 s開始發(fā)生崩裂，達(dá)到深松效果，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性。仿真結(jié)果為優(yōu)化深松鏟結(jié)構(gòu)、提高拖拉機(jī)功率的利用率提供了理論依據(jù)。

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