姚穎杰，王玉興，唐艷芹，羅錫文

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣州 510642)

0 引言

目前，我國(guó)自行研制的水稻拋秧機(jī)械種類較多[1-6]，而有序式拋秧機(jī)一般采用導(dǎo)苗管結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)水稻缽苗的有序移栽。導(dǎo)苗管結(jié)構(gòu)會(huì)直接影響水稻移栽的直立度、入土深度及行株距的均勻性[7]。研究導(dǎo)苗管對(duì)拋栽效果的影響，往往以最終拋栽效果為指標(biāo)，進(jìn)行土槽試驗(yàn)或者田間試驗(yàn)；但是，相應(yīng)的試驗(yàn)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且無法反映水稻缽苗在導(dǎo)苗管內(nèi)運(yùn)動(dòng)的情況。因此，有學(xué)者采用高速攝影試驗(yàn)的方式[8]，觀察水稻缽苗在導(dǎo)苗管內(nèi)某一特定位置的運(yùn)動(dòng)情況；但高速攝影只能反映在投影的二維界面內(nèi)水稻缽苗的運(yùn)動(dòng)情況，無法直觀地反映水稻缽苗在三維空間的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。為此，有學(xué)者提出采用仿真試驗(yàn)的方式進(jìn)行研究。朱克武等人曾利用LS-DYNA軟件，對(duì)水稻缽苗拋栽過程進(jìn)行研究；但受限于當(dāng)時(shí)軟件版本以及計(jì)算水平，只能分別對(duì)水稻缽苗吹出瞬間、水稻缽苗與導(dǎo)苗管后壁碰撞瞬間進(jìn)行仿真[9-10]。

近年來，隨著軟件版本的升級(jí)及計(jì)算機(jī)運(yùn)算水平的提高，運(yùn)用LS-DYNA軟件進(jìn)行仿真的模型規(guī)模呈指數(shù)性增長(zhǎng)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已可以利用LS-DYNA模擬降落傘打開過程、游輪與冰山碰撞過程等復(fù)雜的流固耦合模型[11-14]。為此，本文提出利用LS-DYNA仿真方式，以水稻氣力有序拋栽為研究對(duì)象，研究水稻缽苗的運(yùn)動(dòng)軌跡與缽苗在導(dǎo)苗管出口處位置分布，為提高拋栽行株距有序性提供理論依據(jù)。

1 水稻氣力有序式拋栽原理

水稻氣力有序拋栽過程中，工作裝置依靠電磁閥控制噴嘴有序噴射氣流，吹出秧盤對(duì)應(yīng)穴位中的缽苗。缽苗被吹離秧盤后，經(jīng)導(dǎo)苗管導(dǎo)向，有序落入田間，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)缽苗有序拋栽。導(dǎo)苗管采用4管結(jié)構(gòu)，每個(gè)分管對(duì)應(yīng)1組噴嘴，每組噴嘴上排3個(gè)，下排4個(gè)，對(duì)稱分布，如圖1所示。上排噴嘴與水平面夾角為15°，下排噴嘴與水平面夾角為9°，每個(gè)噴嘴噴射氣體時(shí)間為0.02s。

圖1 氣嘴序號(hào)圖示Fig.1 The dynamic graphic of the nozzles’ numbers

2 仿真試驗(yàn)

2.1 仿真試驗(yàn)方法

水稻氣力有序拋栽，涉及噴嘴噴射氣體、缽苗脫離秧盤及缽苗在導(dǎo)苗管內(nèi)運(yùn)動(dòng)3部分。氣體噴射一般采用FLUENT軟件進(jìn)行模擬，因此利用FLUENT建立了五通管模型，模擬拋栽工作時(shí)，噴嘴出口處的氣流速度，再將此作為水稻缽苗運(yùn)動(dòng)模型(LS-DYNA模型)的輸入數(shù)據(jù)，最終模擬出水稻氣力有序拋栽缽苗的運(yùn)動(dòng)過程。

2.2 建立五通管模型

拋栽工作裝置通過五通管結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)氣體的噴射。五通管分為1個(gè)進(jìn)口和4個(gè)出口，每個(gè)出口對(duì)應(yīng)連接在導(dǎo)苗管各條分管內(nèi)，而進(jìn)口則經(jīng)電磁閥與儲(chǔ)氣罐連接，電磁閥接通時(shí)，4個(gè)出口同時(shí)噴射氣體。

五通管模型采用標(biāo)準(zhǔn)的K-EPSILON模型。設(shè)定材料模型為空氣模型，密度為1.25kg/m3。設(shè)定流體(空氣)入口和出口為PRESSURE-INLET，入口壓力為0.5MPa，出口壓力為0MPa。迭代計(jì)算收斂后，導(dǎo)出五通管出口處的速度云圖，如圖2所示。將每個(gè)出口按照?qǐng)D3進(jìn)行劃分，導(dǎo)出Ai、Bi、Ci、Di、Ei各個(gè)節(jié)點(diǎn)的氣流速度，求得平均速度，整理如表1所示。

圖2 五通管氣流速度矢量圖Fig.2 The velocity vector chart of the five coupling tube

圖3 噴嘴出口節(jié)點(diǎn)劃分Fig.3 The node division of the nozzle’s outlet表1 噴嘴出口節(jié)點(diǎn)速度Table 1 The node velocity of the nozzle outlet

節(jié)點(diǎn)平均速度/m·s-1節(jié)點(diǎn)平均速度/m·s-1Ai351Bi335Ci312Di203Ei102

2.3 建立缽苗運(yùn)動(dòng)模型

水稻缽苗的運(yùn)動(dòng)仿真模型，包括缽?fù)?、水稻秧苗、?dǎo)苗管、秧盤及空氣。本文利用ANSYS WORKBENCH中EXPLICIT DYNAMICS(LS-DYNA EXPORT)模塊進(jìn)行相應(yīng)的網(wǎng)格劃分、約束定義、重力定義和計(jì)算參數(shù)定義;之后生成相應(yīng)K文件，導(dǎo)入LS-PREPOST進(jìn)行其他關(guān)鍵詞的修改。修改的關(guān)鍵詞包括各項(xiàng)材料的定義、接觸的定義及ALE相關(guān)關(guān)鍵詞的定義。

本文將缽?fù)痢⑺狙砻?、?dǎo)苗管材料模型定義為*MAT_ELASTIC，將秧盤[9]材料模型定義為*MAT_RIGID。各材料模型參數(shù)，如表2所示。

表2 主要材料基本參數(shù)Table 2 The basic parameters of main material

將空氣材料模型定義為*MAT_NULL。其中，密度為1.25kg/m3，動(dòng)力粘度系數(shù)為1.745 6×10-5Ns/m?？諝獾臓顟B(tài)方程由*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL表示，即

p=c0+c1μ+c2μ2+c3μ3+(c4+c5μ+c6μ2)e

其中

式中p—?dú)怏w壓力；

c0、c1、c2、c3、c4、c5、c6—多項(xiàng)式各項(xiàng)系數(shù)；

e—內(nèi)能；

V—?dú)怏w的相對(duì)體積。

仿真模型中，空氣模型按理想氣體進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，空氣材料基本參數(shù)如表3所示。因?yàn)槔硐霘怏w是符合γ律狀態(tài)方程的氣體，故有

c0=c1=c2=c3=c6=0

c4=c5=γ-1

初始狀態(tài)時(shí)，空氣模型滿足

式中p0—初始?xì)怏w壓力；

γ—比熱系數(shù)；

e0—初始內(nèi)能；

V0—?dú)怏w的相對(duì)體積。

其中，比熱系數(shù)γ=1.4，初始相對(duì)體積V0=1。設(shè)定初始時(shí)空氣壓力p0=1.013×105Pa，則可得對(duì)應(yīng)e0=2.533×105J/m3。

表3 空氣材料基本參數(shù)Table 3 The air basic parameters

在ANSYS WORKBENCH生成的原始K文件中，空氣模型的單元類型被設(shè)定為*SECTION_SOLID，該單元類型不適用于ALE運(yùn)算，故將其修改為*SECTION_SOLID_ALE。同時(shí)，添加用于流固耦合運(yùn)算的關(guān)鍵詞 *CONTROL_ALE以及*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID。其中，將空氣模型定義為MASTER，將其他模型組合并定義為SLAVE。

噴射空氣由*BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION_SET關(guān)鍵詞定義，該關(guān)鍵詞定義噴嘴出口處空氣的運(yùn)動(dòng)速度。因?yàn)槊總€(gè)噴嘴噴射氣體時(shí)間為0.02s，故將該關(guān)鍵詞的生效時(shí)間定義為0～0.02s。噴嘴出口處的空氣模型各節(jié)點(diǎn)速度與表1各節(jié)點(diǎn)平均速度相對(duì)應(yīng)。內(nèi)外管1號(hào)噴嘴對(duì)應(yīng)的缽苗運(yùn)動(dòng)模型如圖4所示。

(a) 內(nèi)管模型

(b) 外管模型圖4 內(nèi)外管1號(hào)噴嘴對(duì)應(yīng)的缽苗運(yùn)動(dòng)模型Fig.4 The movement model of the pot seedling thrown from the No.1 nozzle in the inner and outer tubes

3 仿真結(jié)果及分析

本文采用LS-PREPOST作為后處理軟件，對(duì)仿真結(jié)果數(shù)據(jù)文件(D3PLOT文件)進(jìn)行讀取并分析，在該軟件中可以直觀得到水稻缽苗在導(dǎo)苗管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過程。對(duì)每一時(shí)刻的缽苗位置圖進(jìn)行疊加處理，能得到水稻缽苗在導(dǎo)苗管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡。

3.1 YZ投影面拋栽軌跡

水稻氣力有序拋栽缽苗過程中，導(dǎo)苗管內(nèi)外管中下段的彎折度差異，會(huì)影響缽苗拋栽的行距。研究仿真結(jié)果中，YZ投影面內(nèi)的缽苗拋栽軌跡，為提高拋栽行距有序性提供理論依據(jù)。

YZ投影面內(nèi)，水稻缽苗在內(nèi)管中的拋栽軌跡如圖5所示。各噴嘴拋出的水稻缽苗，在進(jìn)入內(nèi)管中段后，均會(huì)與中段的左側(cè)面相接觸；缽苗在與該面接觸之后，均不產(chǎn)生明顯彈跳，而是緊貼在該面上向下滑動(dòng)；缽苗在滑離內(nèi)管中段左側(cè)面后，進(jìn)入內(nèi)管下段；在下段的運(yùn)動(dòng)中，各組缽苗均逐漸趨近內(nèi)管下段的右側(cè)面，最終與右側(cè)面相接觸；接觸之后，各組缽苗均未產(chǎn)生明顯反彈；到達(dá)內(nèi)管出口處時(shí)，各組缽苗均靠近出口的右側(cè)。

YZ投影面內(nèi)，水稻缽苗在外管中的拋栽軌跡如圖6所示。各噴嘴拋出的水稻缽苗，在進(jìn)入外管中段后，也均會(huì)與中段的左側(cè)面相接觸。其中，第2組缽苗在與左側(cè)面接觸后產(chǎn)生了較為明顯的彈跳，并與中段的右側(cè)面相碰撞，但該組缽苗最終也和其他組一樣，沿著外管中段的左側(cè)面滑入外管下段；在下段的運(yùn)動(dòng)中，各組缽苗均趨近并與右側(cè)面相接觸；缽苗與外管下段右側(cè)面接觸后，均產(chǎn)生了明顯的反彈；最終，到達(dá)外管出口處時(shí)，除第2、4組缽苗外，其余各組缽苗均靠近出口左側(cè)。

在YZ投影面中，無論內(nèi)管或者外管，缽苗均會(huì)沿中段的左側(cè)面下滑，并在同一位置進(jìn)入導(dǎo)苗管下段；進(jìn)入導(dǎo)苗管下段的位置相同，提高了缽苗在導(dǎo)苗管下段運(yùn)動(dòng)的一致性，使得缽苗在導(dǎo)苗管出口的橫向位置有集中分布的特征。

圖5 內(nèi)管YZ投影面內(nèi)缽苗運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.5 The trajectory of the pot seedling in the YZ plane of the inner tube

圖6 外管YZ投影面內(nèi)缽苗運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.6 The trajectory of the pot seedling in the YZ plane of the outer tube

3.2 XY投影面拋栽軌跡

導(dǎo)苗管內(nèi)管在XY面的投影，和導(dǎo)苗管外管在XY面的投影一樣。仿真結(jié)果中，XY投影面內(nèi)的缽苗拋栽軌跡，為提高拋栽株距有序性提供理論依據(jù)。

XY投影面內(nèi)，水稻缽苗在內(nèi)管中的拋栽軌跡如圖7所示。各噴嘴拋出的水稻缽苗，首先會(huì)與內(nèi)管上段的后壁(XY投影面中，導(dǎo)苗管的左端面)碰撞，并產(chǎn)生明顯的反彈；各組缽苗與后壁碰撞的位置較為一致，均略低于拋栽初始位置；各組缽苗反彈后進(jìn)入內(nèi)管中段，并逐步趨近內(nèi)管前壁(XY投影面中，導(dǎo)苗管的右端面)；除第6組外，其余各組缽苗與內(nèi)管前壁碰撞后，均產(chǎn)生明顯的反彈，各組反彈程度較為相似。但是，各組缽苗與前壁碰撞位置有明顯差異，導(dǎo)致缽苗反彈后，在內(nèi)管下段的運(yùn)動(dòng)軌跡差異明顯，最終各組缽苗到達(dá)內(nèi)管出口處的位置無明顯規(guī)律。

XY投影面內(nèi)，水稻缽苗在外管中的拋栽軌跡如圖8所示。各噴嘴拋出的水稻缽苗，在外管上段的運(yùn)動(dòng)軌跡，與缽苗在內(nèi)管上段的運(yùn)動(dòng)軌跡基本一致；在外管中段，除了第2、3組外，其余各組的缽苗均會(huì)與外管前壁碰撞并反彈。但是，各組缽苗與外管前壁的碰撞位置、碰撞后的反彈程度卻有所差異，導(dǎo)致各組缽苗在外管下段的運(yùn)動(dòng)軌跡差異明顯，最終各組缽苗到達(dá)外管出口處的位置無明顯規(guī)律。

在XY投影面中，無論內(nèi)管或者外管，導(dǎo)苗管前后壁對(duì)缽苗的運(yùn)動(dòng)軌跡都沒有明確的導(dǎo)向作用。缽苗進(jìn)入導(dǎo)苗管下段的位置不唯一，加劇了缽苗到達(dá)導(dǎo)苗管出口的縱向位置不確定性，進(jìn)而使缽苗縱向位置分布無明顯規(guī)律。

圖7 內(nèi)管XY投影面內(nèi)缽苗運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.7 The trajectory of the pot seedling in theXYplane of the inner tube

圖8 外管XY投影面內(nèi)缽苗運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.8 The trajectory of the pot seedling in theXYplane of the outer tube

4 高速攝影試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)裝置

為驗(yàn)證仿真模型的合理性，搭建了一套高速攝像裝置進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置包括高速攝影機(jī)(Phantom Miro系列)、高速攝影激光照明系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)及氣力有序式拋秧機(jī)，如圖9所示。

圖9 高速攝像試驗(yàn)裝置Fig.9 The device for the high-speed photography experiment

4.2 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)所選用的水稻品種為“鄭旱10號(hào)”，葉齡為2.5葉。試驗(yàn)所用缽苗育秧盤為蜂窩狀機(jī)拋育秧盤。

試驗(yàn)前，調(diào)節(jié)各噴嘴的角度，使之與仿真試驗(yàn)中的噴嘴角度一致。試驗(yàn)時(shí)，調(diào)節(jié)氣力有序式拋秧機(jī)工作氣壓為0.5MPa，采用拋秧工作檔位進(jìn)行拋秧；此時(shí)，噴嘴噴射氣體時(shí)間為0.02s。導(dǎo)苗管為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，同種類型的管(以內(nèi)外管區(qū)分類型)在理論上，拋栽效果是相同的。因此，拋秧過程中，高速攝影機(jī)僅記錄導(dǎo)苗管右側(cè)內(nèi)外管的缽苗運(yùn)動(dòng)情況。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)后，利用高速攝影機(jī)配套的PCC 2.6軟件對(duì)拍攝到的視頻進(jìn)行處理，記錄各缽苗到達(dá)導(dǎo)苗管出口時(shí)所處的位置，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖10所示。其中，記錄缽苗位置時(shí)，分別以導(dǎo)苗管內(nèi)外管出口的左側(cè)面以及后壁為基準(zhǔn)。

根據(jù)圖11和圖12的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可得：缽苗到達(dá)內(nèi)管出口時(shí)，86.3%的缽苗與內(nèi)管出口左側(cè)面的距離超過0.03m，即86.3%的缽苗位于內(nèi)管出口的右半部分；缽苗到達(dá)外管出口時(shí)，76.9%的缽苗與外管出口左側(cè)面的距離小于0.03m，即76.9%的缽苗位于外管出口的左半部分。

圖10 高速攝影試驗(yàn)結(jié)果Fig.10 The result of the high-speed photography experiment

圖11 內(nèi)管出口處缽苗橫向位置分布圖Fig.11 The distribution map on the lateral position of the pot seedlings at the outlet of the inner tube

圖12 外管出口處缽苗橫向位置分布圖Fig.12 The distribution map on the lateral position of the pot seedlings at the outlet of the outer tube

根據(jù)圖13和圖14的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可得：缽苗到達(dá)導(dǎo)苗管內(nèi)外管出口時(shí)，在出口前后壁之間的位置分布無明顯規(guī)律；無論內(nèi)管或者外管，在出口前半部分拋出的缽苗數(shù)量，與在后半部分拋出的缽苗數(shù)量較為接近，在內(nèi)管和外管出口后半部分(靠近導(dǎo)苗管后壁)拋出的缽苗數(shù)量分別占總數(shù)55.5%和52.1%。

圖13 內(nèi)管出口處缽苗縱向位置分布圖Fig.13 The distribution map on the longitudinal position of the pot seedlings at the outlet of the inner tube

圖14 外管出口處缽苗縱向位置分布圖Fig.14 The distribution map on the longitudinal position of the pot seedlings at the outlet of the outer tube

5 結(jié)論

1)利用ANSYS FLUENT和ANSYS LS-DYNA相結(jié)合的方式，建立了水稻氣力有序拋栽的仿真模型，對(duì)水稻缽苗在導(dǎo)苗管內(nèi)外管中的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行分析，并通過高速攝影試驗(yàn)，驗(yàn)證仿真模型的合理性。

2)水稻缽苗會(huì)緊貼導(dǎo)苗管內(nèi)外管中段的側(cè)面下滑，最終滑入導(dǎo)苗管下段并被拋出。水稻缽苗被拋離導(dǎo)苗管時(shí)，在出口處的橫向位置有集中分布的特點(diǎn)，與缽苗在中段的運(yùn)動(dòng)軌跡有關(guān)。導(dǎo)苗管的前后壁對(duì)缽苗的運(yùn)動(dòng)軌跡沒有明確的導(dǎo)向作用，導(dǎo)致最終缽苗在出口的縱向位置分布較為分散。