基于Abaqus的缺口圓盤刀開溝作業(yè)有限元仿真及分析

齊　鵬，高富強(qiáng)，邱立春

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，沈陽　110161)

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基于Abaqus的缺口圓盤刀開溝作業(yè)有限元仿真及分析

齊鵬，高富強(qiáng)，邱立春

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，沈陽110161)

摘要：為分析免耕播種機(jī)破茬開溝部件開溝作業(yè)時(shí)圓盤刀與土壤之間的相互作用情況,在Abaqus有限元分析軟件中建立了圓盤刀——土壤侵徹的三維動(dòng)態(tài)有限元模型，在Explicit動(dòng)態(tài)顯示模塊下進(jìn)行仿真試驗(yàn)分析。搭建了基于室內(nèi)土槽的圓盤刀牽引平臺(tái)，通過土槽試驗(yàn)對(duì)有限元模型的正確性、有效性進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明：該有限元模型能準(zhǔn)確模擬圓盤刀在土壤上進(jìn)行開肥溝作業(yè)的過程。選取機(jī)組前進(jìn)速度、圓盤刀入土深度和圓盤刀刀面與前進(jìn)方向之間偏角等作為試驗(yàn)因素進(jìn)行基于上述有限元仿真的正交試驗(yàn)，得到各因素及其一階交互作用對(duì)模型中肥溝深度和寬度的影響規(guī)律。同時(shí)得到：在機(jī)組前進(jìn)速度為1.67 m/s、圓盤刀入土深度為12cm、圓盤刀面偏角為6°時(shí)，破茬開溝部件所開肥溝質(zhì)量最佳。

關(guān)鍵詞：免耕播種機(jī)；缺口圓盤刀；有限元法

0引言

免耕播種是指在未經(jīng)耕整覆蓋有秸稈殘茬的土壤上直接進(jìn)行播種作業(yè)[1]。與傳統(tǒng)播種方式相比，最大的不同在于播種機(jī)前部配置有各式各樣的破茬開溝部件，主要作用是切斷秸稈殘茬并開出良好的肥溝便于排肥同時(shí)為接下來的播種作業(yè)做擾土準(zhǔn)備。近年來，隨著國內(nèi)材料工藝和金屬熱處理技術(shù)的日臻成熟，各式破茬開溝機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度及可靠性得到很大提高，完全能夠滿足秋季還田地的破茬作業(yè)要求。而隨著改良土壤、增加土地營(yíng)養(yǎng)的施加玉米口肥作業(yè)的廣泛推廣，免耕播種作業(yè)時(shí)開肥溝作業(yè)日益受到重視。開肥溝作業(yè)受機(jī)組前進(jìn)速度、部件入土深度和破茬開溝部件偏角等諸多因素的影響，在田間作業(yè)時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)所開肥溝過窄、過淺，肥溝直線度、均勻度不良等問題，從而使得化肥不能準(zhǔn)確均勻地施放到農(nóng)藝所要求的土層位置。按農(nóng)藝要求，肥溝應(yīng)盡可能做到深和寬，一般來講，破茬開溝器應(yīng)切開表土開出一條3~8cm寬、8~12cm深的肥溝或種溝預(yù)開溝[2~3]。

本文旨在通過對(duì)免耕播種機(jī)缺口破茬開溝圓盤刀進(jìn)行開肥溝作業(yè)的正交試驗(yàn)，得出機(jī)組前進(jìn)速度、部件入土深度和破茬開溝部件偏角等相關(guān)因素對(duì)肥溝質(zhì)量的影響及其最佳作業(yè)參數(shù)組合。傳統(tǒng)方法研究此類入土部件與土壤的相互作用主要依靠土槽試驗(yàn)，但使用土槽進(jìn)行多因素多水平的正交試驗(yàn)研究時(shí)，因其工作量大、耗時(shí)耗力，有時(shí)需加工多個(gè)不同試驗(yàn)機(jī)具且誤差及偶然因素較多使得基于土槽的正交試驗(yàn)難以進(jìn)行[4-5]。

基于上述原因，本文采用將有限元模擬試驗(yàn)與土槽驗(yàn)證試驗(yàn)相結(jié)合的方法得到所需的作業(yè)參數(shù)。即先通過Abaqus有限元分析軟件完成開肥溝部件模型與土壤模型的建立并對(duì)其裝配體進(jìn)行部分因素水平下的有限元仿真試驗(yàn)，得到相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)；再通過對(duì)應(yīng)因素水平的土槽試驗(yàn)對(duì)之前有限元試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，確定有限元試驗(yàn)結(jié)果可靠。在所建模型準(zhǔn)確、約束條件合理的情況下再進(jìn)行所有因素水平下的有限元軟件內(nèi)的正交試驗(yàn)，以得出各因素對(duì)圓盤刀所開肥溝深度與寬度的影響大小的排序及開溝作業(yè)中最佳作業(yè)參數(shù)組合。

1仿真試驗(yàn)材料與方法

1.1　圓盤刀—土壤有限元模型

由于Abaqus軟件自帶的圖形處理功能不夠完善，操作難度相對(duì)較大，故應(yīng)用SolidWorks三維建模軟件，以國內(nèi)某型免耕播種機(jī)缺口破茬開溝圓盤刀(見圖1)為藍(lán)本建立圓盤刀部件模型。其圓盤刀外徑435mm，圓盤厚5.5mm，刀刃厚2.5mm；圓盤上沿圓周均勻分布13個(gè)凸齒，凸齒呈圓角梯形，上底5cm，相鄰齒間腰呈圓弧均勻過度。為方便劃分網(wǎng)格，將不影響動(dòng)力學(xué)有限元分析的中心軸承口及6個(gè)螺紋孔省略，將SolidWorks中建成的圓盤刀模型保存成IGS格式文件并導(dǎo)入Abaqus下Explicit模塊中。在Abaqus中定義材料為65Mn，抗拉強(qiáng)度為735MPa，屈服強(qiáng)度為430MPa，密度7 810kg/m3，泊松比為0.3，彈性模量為210GPa。創(chuàng)建65Mn截面并指派給導(dǎo)入后的圓盤刀部件[6-9]。

圖1　免耕播種機(jī)缺口圓盤刀

土壤模型直接在Abaqus中建立，為以XY平面對(duì)稱的300mm×500mm×400mm的長(zhǎng)方體實(shí)體[9]。土壤模擬選用遼寧省農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所土槽內(nèi)土壤，土質(zhì)為黃黏土，土壤模型采用Druker-Prager本構(gòu)模型。其剪切準(zhǔn)則確定為線性類型，硬化行為確定為剪切類型。定義材料屬性參數(shù)如表1所示[10]。土壤模型參數(shù)值以吉林大學(xué)佟金教授相關(guān)論文參數(shù)為模板，密度、摩擦角及含水率參數(shù)為本實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)出；創(chuàng)建土壤截面并指派給土壤部件。

表1　有限元模型中的土壤參數(shù)

將兩部件劃分網(wǎng)格并裝配成仿真試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。使圓盤刀與土壤外表面有一定距離，圓盤最下端距離土壤上表面垂直距離為8、10、12cm共3個(gè)水平，其值代表著破茬開溝部件開肥溝作業(yè)時(shí)的入土深度。圓盤平面可以與XY平面成0°、3°、6°角共3個(gè)水平，其值大小反映了破茬開溝部件開溝平面對(duì)機(jī)組前進(jìn)方向的偏轉(zhuǎn)程度。當(dāng)圓盤平面與XY平面存在夾角即試驗(yàn)中模型位置偏角取3°和6°這兩個(gè)水平時(shí)，需對(duì)圓盤刀添加額外約束以使其不能在有限元分析過程中隨意轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致結(jié)果失真。

1.2　圓盤刀—土壤的動(dòng)力學(xué)仿真

進(jìn)行Abaqus有限元分析模塊的操作，包括分析步、接觸、預(yù)定義場(chǎng)與載荷等選項(xiàng)卡的參數(shù)確定與設(shè)置。

創(chuàng)建顯示動(dòng)力學(xué)分析步，時(shí)間長(zhǎng)度確定為0.5s，時(shí)間增量確定為0.001s，創(chuàng)建相應(yīng)的場(chǎng)輸出與歷程輸出對(duì)象。

創(chuàng)建相互作用為接觸，其中接觸屬性設(shè)定為切向滿足懲罰函數(shù)的摩擦，確定摩擦因數(shù)為0.6；法向?yàn)橛步佑|即當(dāng)接觸面之間的接觸壓力變?yōu)?或者負(fù)值時(shí)，2個(gè)接觸面分離，約束被移開[11]。由于圓盤刀材料強(qiáng)度遠(yuǎn)高于土壤的強(qiáng)度，故該模型中對(duì)圓盤刀創(chuàng)建剛體約束；在土壤長(zhǎng)方體下表面創(chuàng)建邊界條件為完全固定，即限制底面的全部6個(gè)自由度，土壤模型上表面不施加任何約束。

在預(yù)定義場(chǎng)及邊界條件下同時(shí)創(chuàng)建圓盤具有X正方向初速度，速度作用點(diǎn)為圓盤剛體的中心，該中心命名為RP，速度取值為1.67、2.22、2.78m/s等3種情況,其值代表著正交試驗(yàn)中機(jī)組作業(yè)的前進(jìn)速度。這一因素下共有1.67、2.22、2.78m/s等3個(gè)水平[12-16]。完成上述全部步驟后創(chuàng)建作業(yè)，提交分析。

1.3　仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)收集

每組有限元分析試驗(yàn)完成后，在Abaqus軟件可視化模塊下都會(huì)得到20~40張數(shù)量不等的應(yīng)力云圖用來顯示該模型的仿真結(jié)果，圖2顯示的是模型在分析工作完成前后的形態(tài)對(duì)比。

圖2　圓盤刀與土壤模型仿真結(jié)果示意圖

在可視化窗口下可查看有限元模型的變形云圖。選取每組試驗(yàn)完成后所得云圖中的最后一幀云圖(最終變形狀態(tài))進(jìn)行溝槽深度、寬度的圖上測(cè)量，可利用Abaqus軟件中的查詢距離功能測(cè)量所需數(shù)據(jù)。為方便測(cè)量需要將圓盤刀模型隱藏，在測(cè)量溝槽深度、寬度時(shí)需分別作相應(yīng)的切片處理。

1)溝槽深度測(cè)量：對(duì)云圖進(jìn)行Z平面下的切片處理，以XY平面本身為中心將模型進(jìn)行等分，可選取任一部分測(cè)量，此時(shí)溝槽最深點(diǎn)能完全暴露出來方便測(cè)量。由于所得切片的溝深在X方向上有一定起伏，故對(duì)土壤模型中溝槽部分全長(zhǎng)進(jìn)行沿X方向的3等分，分別測(cè)出3個(gè)等分點(diǎn)處的溝深，溝槽深度則記為3個(gè)深度的算術(shù)平均值。

2)溝槽寬度測(cè)量：對(duì)云圖進(jìn)行Y平面下的切片處理，以與XZ平面平行且沿Y平面負(fù)方向平移9.5cm的平面為切刀將模型分成上下兩部分，保留下面部分。此時(shí)溝槽寬度為地表以下9.5cm的寬度，該深度為施肥的良好深度，故統(tǒng)一選取該深度的溝寬作為數(shù)據(jù)采集位置。所得切片溝槽寬度均較均勻，選取土壤模型中溝槽部分全長(zhǎng)的中心為測(cè)點(diǎn)，測(cè)量該位置的溝寬作為該組試驗(yàn)的溝槽寬度。

按照上述方法完成各組有限元仿真試驗(yàn)的數(shù)據(jù)收集。

1.4　仿真試驗(yàn)結(jié)果

在Abaqus顯示動(dòng)力學(xué)模塊中對(duì)上述模型(包含變更作業(yè)條后重新裝配的模型)分別進(jìn)行機(jī)組前進(jìn)速度為1.67m/s、入土深度8cm、圓盤刀面偏角0°，機(jī)組前進(jìn)速度2.22m/s、入土深度10cm、圓盤刀面偏角3°；機(jī)組前進(jìn)速度為2.78m/s，入土深度12cm、圓盤刀面偏角6°等3種因素水平的有限元仿真試驗(yàn)，各試驗(yàn)分別記為試驗(yàn)1、試驗(yàn)2、試驗(yàn)3。每組試驗(yàn)進(jìn)行2次重復(fù)試驗(yàn)，所得試驗(yàn)指標(biāo)結(jié)果為組內(nèi)各試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值。為方便圖上測(cè)量，對(duì)各試驗(yàn)最后一幀云圖進(jìn)行剖視、特征線顯示、背景色變更等處理，所得云圖如圖3所示。

(a)　試驗(yàn)1　　　　　　　　　　　(b)　試驗(yàn)2　　　　　　　　　　　　　　(c)　試驗(yàn)3

按照上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)收集方法，對(duì)所做共3組6次試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量、收集和平均值處理。得到了3組試驗(yàn)中所開溝槽寬度及深度數(shù)據(jù)如表2所示。

表2　Abaqus部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

2土槽驗(yàn)證試驗(yàn)

為了驗(yàn)證所建立的有限元模型的準(zhǔn)確性，選取溝槽寬度、深度兩者為驗(yàn)證參數(shù)進(jìn)行室內(nèi)土槽試驗(yàn)。試驗(yàn)在遼寧省農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所室內(nèi)土槽平臺(tái)進(jìn)行，土槽車作為牽引力來源提供試驗(yàn)所需的3種速度，缺口破茬開溝機(jī)構(gòu)通過調(diào)整懸掛位置調(diào)節(jié)其入土深度及圓盤刀面偏角。

分別對(duì)有限元仿真試驗(yàn)中的3組試驗(yàn)進(jìn)行同等因素水平下的土槽試驗(yàn)，試驗(yàn)號(hào)一一對(duì)應(yīng)。測(cè)量并采集肥溝深度、寬度等試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。溝寬與溝深的數(shù)據(jù)測(cè)點(diǎn)及測(cè)量方法參照有限元試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)采集方式，每組土槽試驗(yàn)進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，所得試驗(yàn)指標(biāo)結(jié)果為組內(nèi)各試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值。土槽試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3　土槽部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

將土槽試驗(yàn)數(shù)據(jù)與有限元仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比較，計(jì)算相對(duì)誤差。計(jì)算結(jié)果表明：試驗(yàn)1中仿真試驗(yàn)肥溝深度的相對(duì)誤差為3.82%，肥溝寬度的相對(duì)誤差為6.02%；試驗(yàn)2中深度相對(duì)誤差為2.98%，寬度相對(duì)誤差為2.20%；試驗(yàn)3中深度相對(duì)誤差為6.47%，寬度相對(duì)誤差為6.68%。3組試驗(yàn)中兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的仿真值與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差均小于7%，數(shù)據(jù)波動(dòng)誤差較小，波動(dòng)情況與自然規(guī)律相符，證明本研究所采用的建模及仿真方法準(zhǔn)確可靠，可在該仿真模型下進(jìn)行全面正交試驗(yàn)研究。

3正交試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1　正交試驗(yàn)

由于有限元仿真試驗(yàn)結(jié)果可靠，故在Abaqus中進(jìn)行全部正交試驗(yàn)。在正交表L18(37)(見表4)下安排3因素3水平有交互的正交試驗(yàn)。其中，試驗(yàn)1及試驗(yàn)9的試驗(yàn)數(shù)據(jù)沿用之有限元仿真試驗(yàn)中的試驗(yàn)1及試驗(yàn)3的結(jié)果。

表4　正交試驗(yàn)表及數(shù)據(jù)

K1～K3、k1～k3、R中的數(shù)據(jù)依次為肥溝深度和肥溝寬度。

3.2　試驗(yàn)結(jié)果分析

因素影響的主次順序的確定主要依據(jù)表4中極差R數(shù)值的大小進(jìn)行排列。由農(nóng)藝常識(shí)知，在合理范圍內(nèi)，肥溝的溝槽深度與寬度均為數(shù)值越大越好，故各因素對(duì)二者的影響大小的順序均為R值由大到小排列。

由表4可得排序結(jié)果如下：①各因素對(duì)肥溝深度的影響大小的順序?yàn)槿胪辽疃?圓盤刀面偏角>入土深度×圓盤刀面偏角>空列>機(jī)組前進(jìn)速度>機(jī)組前進(jìn)速度×入土深度>機(jī)組前進(jìn)速度×圓盤刀面偏角；②各因素對(duì)肥溝寬度的影響大小的順序?yàn)閳A盤刀面偏角>機(jī)組前進(jìn)速度×圓盤刀面偏角>入土深度>機(jī)組前進(jìn)速度×入土深度>入土深度×圓盤刀面偏角>空列>機(jī)組前進(jìn)速度。

此外，在排除交互作用影響只考慮現(xiàn)有因素各水平的情況下可得對(duì)于肥溝深度、肥溝寬度的優(yōu)方案均為A1B3C3，即機(jī)組前進(jìn)速度為1.67 m/s、入土深度為12cm、圓盤刀面偏角為6°時(shí)，破茬開溝部件所開肥溝效果最為理想。

4結(jié)論

1)利用Abaqus有限元分析軟件可準(zhǔn)確模擬免耕播種機(jī)破茬開溝缺口圓盤刀與土壤間的相互作用情況；與傳統(tǒng)的土槽試驗(yàn)、田間試驗(yàn)相比節(jié)省了大量的人力、物力和財(cái)力。

2)由試驗(yàn)得出了各因素對(duì)及其一階交互作用對(duì)肥溝深度和寬度的影響大小順序。由此可以看出：入土深度對(duì)溝槽深度數(shù)值影響最大且與常識(shí)相符；需要指出的是，圓盤刀面偏角及其與入土深度的交互作用對(duì)肥溝深度影響也很顯著。機(jī)組前進(jìn)速度對(duì)溝槽寬度的單獨(dú)影響較??；但在與圓盤刀面偏角交互作用下卻對(duì)溝槽寬度有顯著作用，僅次于圓盤刀面偏角對(duì)溝寬的影響。

3)在各因素既定的水平下，當(dāng)機(jī)組前進(jìn)速度為1.67m/s、圓盤刀入土深度為12cm、圓盤刀面偏角為6°時(shí)，破茬開溝部件所開肥溝最為深和寬，溝槽形態(tài)最為理想。由此反映出圓盤入土深度與刀面偏角分別作為肥溝深度與寬度的導(dǎo)向因素，其取值大小直接影響溝槽形態(tài)；機(jī)組速度作為補(bǔ)充因素，在其取值較小時(shí)溝槽的深度與寬度反而較大，針對(duì)這種對(duì)應(yīng)關(guān)系需要做進(jìn)一步的研究。

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Abstract ID:1003-188X(2016)09-0064-EA

The Finite Element Analysis and Simulation of the Gap Disc Trenching Based on ABAQUS

Qi Peng, Gao Fuqiang , Qiu Lichun

(College of Engineering，Shenyang Agricultural University，Shenyang 110161，China)

Abstract：In order to analysis the interaction between the no-till planter gap- disc and soil, we set up the disc-soil dynamic three-dimensional finite element model on Abaqus and proceed simulation experiment analysis under the its explicit dynamic display module. Established a traction platform based on the indoor soil bin and examined the validity and reliability of finite element model through it. The results show that the finite element model can simulate the process accurately.Forward speed, disc buried depth and angle between the disc surface and advance direction(deflection angle) were selected as three factors of the orthogonal simulation experiment. Explored the effect regularity on the depth and width of the fat groove caused by the factors and the primary reciprocal actions between each factor. At the same time ,it can be seen that the quality of groove is best when it was selected 1.67 m/s as the forward speed, 12 cm as the disc buried depth ,6°as the angle between the disc surface and advance direction.

Key words：no-till planter；gap-disc；finite element analysis

中圖分類號(hào)：S223.2+6;S220.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)09-0064-05

作者簡(jiǎn)介：齊鵬(1990-)，男，遼寧營(yíng)口人，碩士研究生，(E-mail) 906547981@qq.com。通訊作者：邱立春(1957-)，男，遼寧鐵嶺人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)qlc@syau.edu.cn。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51175354)

收稿日期：2015-09-01