玉米根茬根土分離過程數(shù)值模擬

武 濤，江立凱，賴遠(yuǎn)宏，馬 旭

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

玉米根茬根土分離過程數(shù)值模擬

武 濤，江立凱，賴遠(yuǎn)宏，馬 旭*

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

為明確玉米根茬根土分離過程中的土壤運(yùn)動與破裂規(guī)律以及根茬變形與受力規(guī)律，基于光滑粒子流體動力學(xué)(SPH)算法構(gòu)建玉米根茬根土復(fù)合體仿真模型，利用該模型分別進(jìn)行了玉米根茬根土復(fù)合體在壓力與沖擊作用下的根土分離過程動態(tài)仿真。仿真結(jié)果表明：在壓縮作用下，為使土壤破碎同時避免壓實(shí)，應(yīng)控制壓縮率<90%；當(dāng)壓縮率為90%時，玉米根茬大部分根須所受等效應(yīng)力為0.421～2.907 MPa；采用飛錘沖擊玉米根茬根土復(fù)合體，不僅可以有效促使土壤破碎，提高根土分離效果，而且可以減少根須所受應(yīng)力，降低根茬損失率。

玉米根茬； 根土分離； 數(shù)值模擬； 光滑粒子流體動力學(xué)

玉米根茬灰分含量低，平均含硫量低，熱值高，適合作為燃料[1]。我國是玉米種植大國，2012年播種面積達(dá)3 495×105hm2[2]，全國玉米根茬年產(chǎn)量轉(zhuǎn)換為熱值約相當(dāng)于0.35×108t標(biāo)準(zhǔn)煤[3]，這樣龐大的生物質(zhì)資源亟需開發(fā)利用。然而，傳統(tǒng)的人工根茬回收方式勞動量大、效率低、根土分離效果差。因此，要實(shí)現(xiàn)玉米根茬的規(guī)模化利用，亟需開展玉米根茬機(jī)械化收獲技術(shù)研究。

玉米根茬機(jī)械化收獲的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一是進(jìn)行玉米根茬與土壤的高效分離，要實(shí)現(xiàn)這一目的，需要利用外力破壞玉米根茬與土壤形成的根土復(fù)合結(jié)構(gòu)。國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)對玉米根茬收獲機(jī)具進(jìn)行了相關(guān)研究，按照根土分離工作原理大致可分為：碾壓式、擊打式、抖動式、揉搓式，以及上述方式的組合形式[4-9]。

玉米根茬根土復(fù)合體在外力作用下的根土分離機(jī)制復(fù)雜，通過物理試驗較難獲得位于土壤中的根茬與土壤作用過程、根茬的應(yīng)力變化過程以及土壤的變形、破裂、疏松過程。計算機(jī)仿真技術(shù)是研究土壤在機(jī)械作用下力學(xué)行為的有效有段，可實(shí)現(xiàn)玉米根茬根土分離過程的數(shù)值模擬。在根土復(fù)合體的根土分離過程中，土壤受擠壓或沖擊產(chǎn)生大的變形，出現(xiàn)破裂現(xiàn)象，采用傳統(tǒng)有限元方法進(jìn)行動力學(xué)仿真模擬計算，容易產(chǎn)生網(wǎng)格畸變、計算失效。光滑粒子流體動力學(xué)(smoothed particle hydrodynamics，SPH)方法不需要網(wǎng)格，不會造成網(wǎng)格畸變，能夠有效地對工作部件與土壤的作用過程及土壤的變形、破裂、疏松過程進(jìn)行模擬計算[10-11]。鑒于此，利用SPH方法，以玉米根茬根土復(fù)合體作為研究對象，進(jìn)行玉米根茬根土復(fù)合體在壓縮與沖擊作用下的計算機(jī)仿真分析，在細(xì)觀層次上研究玉米根茬根土復(fù)合體在外力作用下土壤的破裂過程及根茬的應(yīng)力與形態(tài)變化規(guī)律，以期為玉米根茬根土分離裝置工作參數(shù)的優(yōu)化提供依據(jù)。

1 玉米根茬根土復(fù)合體仿真模型的建立

1.1 玉米根茬幾何模型的建立

玉米收獲后，留在地里的玉米根茬主要由地上部分的秸稈和地下部分的根系兩部分組成。玉米根茬的結(jié)構(gòu)形態(tài)及在土壤中的分布如圖1所示。

圖1 玉米根茬的結(jié)構(gòu)形態(tài)及在土壤中的分布

根據(jù)對玉米根茬結(jié)構(gòu)的分析，玉米根茬結(jié)構(gòu)可簡化為由莖稈、主根與須根組成。在三維軟件Pro/E中對玉米根茬進(jìn)行幾何模型建模，將建好的幾何模型保存為STP格式。為節(jié)省運(yùn)算時間，假設(shè)玉米根茬實(shí)體模型在空間對稱，只建立其1/2實(shí)體模型進(jìn)行模擬計算。玉米根茬幾何模型如圖2所示，根茬幾何尺寸如表1所示。

1.2 玉米根茬有限元模型的建立

為對玉米根茬進(jìn)行力學(xué)分析，需要建立玉米根茬的有限元模型。在 Pro/E中建立玉米根茬模型后，以STP格式保存玉米根茬實(shí)體和曲面，導(dǎo)入ANSYS軟件下的ICEM CFD模塊對根茬進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將劃分好網(wǎng)格的根茬模型保存為K文件，再將K文件導(dǎo)入到LS-PrePost中，得到玉米根茬有限元模型，如圖3所示。

圖2 簡化的玉米根茬幾何模型

莖稈直徑/mm莖稈長度/mm主根直徑/mm主根長度/mm須根直徑/mm須根長度/mm18252100150

圖3 玉米根茬有限元模型

1.3 有限元與SPH粒子方法結(jié)合的根土復(fù)合體模型建立

土壤的幾何模型可簡化為直徑200 mm的半球體，直接在LS-PrePost中運(yùn)用SPH粒子生成方法建立土壤幾何模型。為節(jié)省運(yùn)算時間，實(shí)際建模時只建立其1/2實(shí)體模型。然后在LS-PrePost中將根茬有限元模型導(dǎo)入，得到玉米根茬土壤復(fù)合體仿真模型，如圖4所示。

圖4 玉米根茬根土復(fù)合體仿真模型

1.4 根土復(fù)合體材料屬性的設(shè)定

1.4.1 土壤材料屬性 土壤是高度非線性的，涉及到多相、松散和物性分散等特點(diǎn)，參數(shù)多而復(fù)雜(如土壤密度、容重、土粒密度和孔隙度等)，在很多應(yīng)用實(shí)例中，土壤被理想化為連續(xù)介質(zhì)[10]。本研究采用LS-PrePost提供的MAT147材料模型作為土壤模型，土壤材料的參數(shù)如表2所示。

表2 土壤材料參數(shù)

1.4.2 根茬材料屬性 根系在一定的應(yīng)力范圍內(nèi)有彈性體的性質(zhì)，遵循廣義虎克定律，因此可將根系按線彈性處理[12]，將玉米根茬作為一種各向同性彈塑性材料，仿真所采用的根茬材料參數(shù)如表3所示。

表3 玉米根茬材料參數(shù)

2 根土復(fù)合體仿真模型的驗證

為驗證所建立的玉米根茬根土復(fù)合體仿真模型的仿真度，在LS-PrePost中進(jìn)行鋼板壓縮玉米根茬根土復(fù)合體的仿真試驗(圖5a)，并與萬能試驗臺上進(jìn)行的物理試驗(圖5b)進(jìn)行對比。

圖5 鋼板壓縮根土復(fù)合體仿真模型

在LS-PrePost中設(shè)置鋼板與土壤，根茬與土壤的接觸設(shè)置為點(diǎn)面接觸(AUTOMATIC_ NODE_TO_SURFACE)，鋼板與根茬為面面接觸(AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE)，鋼板的運(yùn)動速度為0.01 m/s。將上述仿真模型生成K文件，導(dǎo)入到ANSYS軟件進(jìn)行求解，生成D3plot文件，在LS-PrePost中打開該文件進(jìn)行后處理。仿真試驗與物理試驗得到的壓縮率-壓力曲線對比結(jié)果如圖6所示，由圖6可知，仿真曲線與試驗曲線的變化趨勢基本一致，壓力經(jīng)歷波動增長與指數(shù)迅速增長2個階段，說明該仿真模型可以用來模擬玉米根茬根土復(fù)合體在外力作用下的受力與變形情況。

圖6 物理試驗與仿真試驗結(jié)果對比

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

為清晰觀察到玉米根茬根土復(fù)合體在壓縮與沖擊作用下的土壤運(yùn)動與破裂規(guī)律以及玉米根茬的變形與受力過程，在LS-PrePost中進(jìn)行玉米根茬根土復(fù)合體在壓縮與沖擊作用下的仿真分析，以期從細(xì)觀角度揭示玉米根茬根土復(fù)合體的根土分離機(jī)制。

3.1 根土復(fù)合體在壓縮作用下的根土分離過程

3.1.1 土壤粒子運(yùn)動與受力過程 為了清晰觀察到壓力對土壤的作用過程，截取土壤在不同壓力作用下的等效應(yīng)力圖(圖7)。由圖7可知，初始狀態(tài)時(壓縮率=0)，土壤粒子排列整齊，土壤內(nèi)部應(yīng)力呈均勻分布。隨上壓板的下壓(壓縮率=18%)，與上壓板接觸部位的土壤粒子沿水平方向發(fā)生錯動，土壤應(yīng)力開始增長，且壓力逐漸向內(nèi)層土壤傳遞。隨上壓板繼續(xù)向下移動(壓縮率=36%～54%)，壓力經(jīng)由土壤傳遞到下支撐板，與下支撐板接觸的土壤粒子也發(fā)生錯動，但中心部位的土壤粒子仍然保持較為整齊的排列。當(dāng)壓縮率達(dá)到72%時，與上下板接觸的粒子已完全松散、破裂，向四周運(yùn)動，且應(yīng)力增加。當(dāng)壓縮率達(dá)到90%時，土壤周圍粒子基本完全松散破碎，土壤中心粒子發(fā)生應(yīng)力增長，表明中心土壤被壓實(shí)。仿真環(huán)境下土壤外形發(fā)生的形態(tài)變化與物理試驗觀察到的狀態(tài)一致。表明，壓縮率是影響根土復(fù)合體土壤破碎的重要因素，當(dāng)壓縮率達(dá)到90%時，土壤被壓實(shí)，為使土壤在壓力作用下發(fā)生破碎，同時避免土壤被壓實(shí)，應(yīng)控制壓縮率<90%。

圖7 土壤在壓力作用下的等效應(yīng)力圖

3.1.2 玉米根茬所受應(yīng)力變化過程 根土復(fù)合體在受壓過程中，玉米根茬受到周圍土壤的擠壓作用，為了觀察玉米根茬所受等效應(yīng)力和變形情況，截取玉米根茬在不同時刻的等效應(yīng)力分布(圖8)。由圖8可以看出，在壓縮作用下，根茬發(fā)生不規(guī)則的變形，但整體趨勢為發(fā)散的根須向受壓中心收縮。土壤施加在玉米根茬上的等效應(yīng)力隨壓縮率的升高而增加，主根與莖稈及主根與須根間的連接部位應(yīng)力較為集中。當(dāng)壓縮率為18%時，靠近上方壓板的根須應(yīng)力增加，最大等效應(yīng)力達(dá)到2.293 MPa，這是由于靠近壓板的土壤將壓板的壓力傳遞給根須，而遠(yuǎn)離壓板的根須受影響較小。隨壓縮率的繼續(xù)增加，靠近上壓板與下支撐板的根須應(yīng)力均繼續(xù)增長，壓縮率從36%增加到72%，根須所受最大等效應(yīng)力從4.830 MPa增長到6.465 MPa，這是由于隨壓縮率的升高，土壤所受壓力增加，且將壓力傳遞給根茬。由圖8f可知，當(dāng)壓縮率為90%時，根茬蜷縮在一起，此時土壤被壓實(shí)，大部分根須的等效應(yīng)力在0.421～2.907 MPa。這是由于壓縮結(jié)束時，根須蜷縮在被壓實(shí)的土壤中，壓力傳遞到大部分根須上，導(dǎo)致根須所受應(yīng)力整體升高。

圖8 玉米根茬在壓力作用下應(yīng)力變化過程

3.2 根土復(fù)合體在沖擊作用下的根土分離過程

3.2.1 根土復(fù)合體分離過程 采用飛錘對玉米根茬根土復(fù)合體進(jìn)行擊打可提高根土分離率[13]，高速攝像試驗結(jié)果可知，根土復(fù)合體在飛錘沖擊作用下發(fā)生根土分離的過程極為短暫，僅0.05 s，常規(guī)力學(xué)試驗難以獲得土壤及根茬在沖擊作用下的短暫受力過程與形態(tài)變化。通過建立飛錘沖擊根土復(fù)合體的仿真模型，可以對這種短暫現(xiàn)象進(jìn)行分析。

在LS-PrePost中設(shè)置飛錘與土壤，根茬與土壤的接觸為點(diǎn)面接觸(AUTOMATIC_NODE_ TO_SURFACE)，飛錘與根茬的接觸為面面接觸(AUTOMATIC_SURFACE_TO_ SURFACE )，飛錘的運(yùn)動速度為4 m/s。根土復(fù)合體在沖擊作用下的根土分離過程如圖9所示。由圖9可以看出，飛錘沖擊根土復(fù)合體導(dǎo)致根土分離的過程大概持續(xù)了0.05 s，這與高速攝像的試驗結(jié)果一致。在飛錘的沖擊下，土壤發(fā)生破碎，土壤粒子發(fā)生大范圍的錯動與飛濺，根茬受到?jīng)_擊后沿受力方向飛出，實(shí)現(xiàn)了根茬與土壤的分離。與土壤在壓力作用下土壤粒子的運(yùn)動現(xiàn)象不同，在沖擊作用下不僅與飛錘接觸的土壤粒子發(fā)生錯動，而且沖擊作用使得遠(yuǎn)離飛錘的土壤粒子也發(fā)生錯動，表明沖擊作用能夠有效破壞土壤顆粒間的連接，促使土壤裂紋擴(kuò)展，使土壤發(fā)生破碎。

圖9 根土復(fù)合體在沖擊作用下的根土分離過程

3.2.2 根茬等效應(yīng)力變化過程 為分析包裹在土壤中的玉米根茬在沖擊作用下的變形與受力情況，截取不同時刻的根茬等效應(yīng)力云圖(圖10)。由圖10可以看出，根茬在受到飛錘的沖擊后，產(chǎn)生大變形，同時應(yīng)力迅速增長。在t=0.01 s，根須所受最大等效應(yīng)力為2.279 MPa，這是由于飛錘剛與根茬接觸，沖擊力轉(zhuǎn)移到根須上。在t=0.02～0.05 s，根須所受最大等效應(yīng)力從2.251 MPa下降到1.189 MPa。對比圖10與圖8的等效應(yīng)力云圖可知，根須在沖擊作用下的等效應(yīng)力低于根須在壓力作用下的等效應(yīng)力，這是由于根土復(fù)合體在受到?jīng)_擊后，沖擊力首先被轉(zhuǎn)化為土壤的破碎能，另一部分轉(zhuǎn)化為根茬的動能。因此對根土復(fù)合體進(jìn)行沖擊作用，可減少根茬的受力。

圖10 根土復(fù)合體在沖擊作用下的根茬應(yīng)力變化過程

綜合圖9與圖10的分析可知，采用飛錘沖擊玉米根茬根土復(fù)合體，不僅可以有效促使土壤破碎，提高根土分離效果，而且可以減少根茬所受應(yīng)力，降低根茬損失率。

4 結(jié)論

基于SPH 算法構(gòu)建玉米根茬根土復(fù)合體仿真模型，在仿真環(huán)境下獲得根土復(fù)合體的壓縮率與壓力曲線，仿真試驗曲線與物理試驗曲線的變化趨勢基本一致，說明該仿真模型可以用來模擬玉米根茬根土復(fù)合體在外力作用下的受力與變形情況。壓縮率是影響根土復(fù)合體土壤破碎效果的重要因素，在壓縮作用下，根茬發(fā)生不規(guī)則的變形，但整體趨勢為發(fā)散的根須向受壓中心收縮。當(dāng)壓縮率為90%時，根茬蜷縮在一起，此時土壤被壓實(shí)，大部分根須的等效應(yīng)力范圍在0.421～2.907 MPa。為使土壤破碎同時避免壓實(shí)，應(yīng)控制壓縮率<90%。采用飛錘沖擊玉米根茬根土復(fù)合體，不僅可以有效促使土壤破碎，提高根土分離效果，而且可以減少根茬所受應(yīng)力，降低根茬損失率。

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Numerical Simulation of Roots-soil Separation Process of Corn Stubble

WU Tao,JIANG Likai,LAI Yuanhong,MA Xu*

(Department of Engineering,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China)

With the aims of obtaining the movement and rupture law of soil as well as the deformation and stress variation law of stubble in the roots-soil separation process of corn stubble,the numerical simulation model of corn stubble roots-soil composite was established,which was based on the SPH method. Furthermore,the above model was applied in the dynamic simulation of roots-soil separation process of the corn stubble roots-soil composite under the impact and compression.The simulation results showed that in the compression process,for the purpose of crushing soil and preventing soil compaction,the compression rate should be lower than 90%;when the compression rate was 90%,the equivalent stress of the most roots was from 0.421 MPa to 2.907 MPa;impacting corn stubble roots-soil composite with hammer not only improved the effect of roots-soli separation,but also decreased the stress of the roots and reduced the roots loss rate.

corn stubble; roots-soil separation; numerical simulation; SPH

2016-01-02

國家自然科學(xué)基金項目(51405164，51175188)

武 濤(1979-)，男，河北張家口人，副教授，博士，主要從事根莖類作物收獲技術(shù)與裝備研究。 E-mail：wt55pub@scau.edu.cn

*通訊作者：馬 旭(1959-)，男，遼寧沈陽人，教授，博士，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計理論與裝備研究。 E-mail：maxu1959@scau.edu.cn

S225.7

A

1004-3268(2016)07-0132-05