深松鏟耕作土壤的建模與仿真分析

果　霖， 顧麗春， 李吉成， 張?zhí)鞎?huì)

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，云南昆明 650201)

土壤是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最重要的因素之一，但在傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)耕作方式下，我國土壤出現(xiàn)了板結(jié)、沙化、蓄水保肥能力下降等問題[1-2]。土壤深松是一種破壞堅(jiān)硬犁底層的保護(hù)性耕作方法，深松作業(yè)主要通過深松鏟完成，而深松鏟在深松過程中所受阻力和功耗等問題仍有一定的改進(jìn)空間，且深松作業(yè)范圍較廣，因此深松效率的細(xì)微提高都具有較大的實(shí)際意義[3-4]。本研究以旱地使用的彎曲式深松鏟為對(duì)象，利用計(jì)算機(jī)仿真的方法對(duì)其深松過程進(jìn)行數(shù)值模擬，通過數(shù)值模擬分析深松過程中土壤粒子的速度、應(yīng)力、密度等特性的變化情況，以期為后續(xù)深松鏟的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的理論依據(jù)。

1　深松原理

在深松過程中，深松鏟具將犁底層進(jìn)行間隔式的破壞，形成一種相間存在的耕層鼠道構(gòu)造，這種耕層鼠道構(gòu)造可以有效地解決目前土壤退化、沙化、蓄水保肥能力下降等問題，提高土壤氣體交換、養(yǎng)分吸收、水分保持、礦物質(zhì)分解的能力，從而促進(jìn)農(nóng)作物產(chǎn)量的提高以及農(nóng)業(yè)的科學(xué)發(fā)展[5]。深松作業(yè)形成的耕層鼠道構(gòu)造示意如圖1所示。

土壤切削可被看作土壤在外界切削作用下被分離成不同形狀的過程。相關(guān)研究指出，不同深度土壤的失效形式不同，在靠近表層的位置，土壤會(huì)被撕裂或者向上運(yùn)動(dòng)，土壤的失效主要是剪切失效；在較深的位置，土壤的運(yùn)動(dòng)方向與深松鏟的前進(jìn)方向平行，土壤的失效形式主要是切削失效[5]。

2　深松耕作建模

2.1　土壤簡化模型

農(nóng)田可以被看作是一塊沒有邊際的土壤，但由于受簡化模型的限制，不能將土壤模型做得過大，本研究將土壤模型簡化為一個(gè)長、寬、高分別為0.4、0.2、1.2 m的長方體，并配合相關(guān)約束條件模擬實(shí)際情況，采用有限元/光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)(finite element/smoothed particle hydrodynamics，簡稱 FE/SPH)方法對(duì)深松鏟切削土壤的問題進(jìn)行分析，因此在土壤簡化模型中既含有傳統(tǒng)的有限元網(wǎng)格，也包括SPH粒子[6-7]。土壤結(jié)構(gòu)簡化模型如圖2所示。

2.2　深松材料模型

土壤模型所使用的是由LS-DYNA提供的MAT147(MAT_FHWA_SOIL)材料，它是一種基于修正的Drucken_Prager模型的塑性材料。深松鏟采用65 Mn材料，其材料參數(shù)如表1所示。

表1　深松鏟材料參數(shù)

2.3　深松鏟結(jié)構(gòu)模型

目前市面上深松鏟種類繁多，本研究選擇常用的旱地彎曲式深松鏟進(jìn)行分析，該深松鏟由鏟柄、鏟頭等2個(gè)部分裝配組成，其主要結(jié)構(gòu)尺寸為入土角23°，鏟頭寬度30 mm，刀柄刃角60°，深松深度30 mm，鏟柄曲面半徑248 mm，鏟柄曲面弧度58°。

根據(jù)深松鏟的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，使用Freeform建立研究對(duì)象的三維參數(shù)化模型。

本研究將鏟頭和鏟柄融合到一起，建立的深松鏟三維模型如圖6所示。

3　深松耕作仿真分析

3.1　建立分析模型

本研究的分析模型是基于FE/SPH的，首先將建立的深松鏟模型導(dǎo)入到ANSYS中，并利用ANSYS建立拉格朗日網(wǎng)格土壤模型，然后利用LS-Prepost建立SPH部分模型，結(jié)果如圖7所示。

3.2　增加分析條件

理論上所研究的應(yīng)該是農(nóng)田中一塊無限大的土壤，但由于受到計(jì)算設(shè)備及算法等因素的限制，本研究只取1塊較小的土壤作為研究對(duì)象，這塊土壤在理論上應(yīng)該是無邊界，因此須要指定土壤模型相應(yīng)界面是無邊界的，本研究通過關(guān)鍵字*BOUNDARY_NON_REFLECTING設(shè)置土壤的邊界條件[8]；通過關(guān)鍵字*CONTACT_AUTOMATIC_NODES_TO_SURFACE_ID定義SPH粒子和深松鏟表面的接觸類型為自動(dòng)計(jì)算；通過關(guān)鍵字*CONTACT_TIED_NODES_TO_SURFACE_ID設(shè)置SHP粒子與拉格拉日網(wǎng)格之間的相互連接；通過關(guān)鍵字*DEFINE_CURVE、*DEFINE_VECTOR、*BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION_RIGID等定義深松鏟的移動(dòng)速度為2.0 m/s。

分析條件還涉及其他很多關(guān)鍵字，這里不再一一贅述。

4　結(jié)果與分析

通過求解計(jì)算，并對(duì)求解結(jié)果進(jìn)行后處理即可得到相應(yīng)的求解結(jié)果。

由圖8可知，在0.2 s左右時(shí)，即深松鏟剛進(jìn)入土壤時(shí)，土壤的應(yīng)力主要分布在深松鏟的前后兩側(cè)；在0.4 s左右時(shí)，土壤的應(yīng)力仍主要分布在深松鏟周圍，雖然深松過的土壤也殘留了一些應(yīng)力，但隨著深松時(shí)間的增加，土壤的殘余應(yīng)力迅速減小。

圖9是土壤粒子密度云，將其與圖8進(jìn)行對(duì)比，可以看出，經(jīng)過深松鏟深松作業(yè)的位置土壤粒子密度減小，說明在土壤中形成了一條溝壑。

由圖10可知，經(jīng)過深松作業(yè)之后，土壤粒子大幅增加，在短時(shí)間內(nèi)土壤粒子的內(nèi)能變化較小。

由圖11可知，在0.3 s之前，由于深松鏟尚未完全進(jìn)入或者剛剛進(jìn)入土壤，還沒有達(dá)到一個(gè)較為穩(wěn)定的工作狀態(tài)，因此總能量的增加速率不斷增大；而在0.3 s之后，深松鏟已經(jīng)進(jìn)入較為穩(wěn)定的工作狀態(tài)，此時(shí)總能量與時(shí)間呈線性遞增關(guān)系。

由圖12可知，在0.3s之前，由于深松鏟還沒有處于一個(gè)比較穩(wěn)定的工作狀態(tài)，所以整個(gè)模型的動(dòng)能呈增加的趨勢；而在0.3 s之后深松鏟已經(jīng)進(jìn)入穩(wěn)定的工作狀態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)能趨于平穩(wěn)。

由圖13可知，由于模型的動(dòng)能在總能量中所占的比例較小，所以模型的內(nèi)能變化曲線與總能量變化曲線在趨勢上相似，在數(shù)值上接近。

由上述分析可知，在深松過程中模型能量是由外界驅(qū)動(dòng)機(jī)械提供的，這些能量主要增加分析模型的內(nèi)能，且當(dāng)模型動(dòng)能穩(wěn)定時(shí)，外界提供的能量基本轉(zhuǎn)化為模型的內(nèi)能，因此模型內(nèi)能的變化速率也就是外界驅(qū)動(dòng)機(jī)械提供能量的功率，也就是深松鏟的工作功耗。

對(duì)圖13所示的內(nèi)能變化曲線進(jìn)行求導(dǎo)得到圖14所示的曲線，該曲線即為深松鏟在深松作業(yè)時(shí)所需要的功率，可以看出，在0.3 s之后，曲線基本趨于平穩(wěn)；在0.3～0.5 s之間取5個(gè)等距的時(shí)間點(diǎn)，在0～0.3 s之間取15個(gè)等距的時(shí)間點(diǎn)，然后將這20個(gè)點(diǎn)功率的平均值作為本試驗(yàn)的功耗值，即能基本確定研究對(duì)象在深松過程中所需要的功率為14.71 kW。

5　結(jié)論

由本研究結(jié)果可知，在深松過程中，土壤會(huì)受到較大的應(yīng)力，但應(yīng)力會(huì)在短時(shí)間內(nèi)變小；在正常的工作情況下，深松模型的動(dòng)能是守恒的；外界牽引力提供的能量主要轉(zhuǎn)化為土壤粒子的內(nèi)能；深松過后，深松鏟經(jīng)過位置的土壤粒子密度大大降低，土壤變得松軟。分析結(jié)果可為后續(xù)深松鏟的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王宏立，張偉. 基于Pro/E和ANSYS的深松鏟有限元分析[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2010(12)：33-36.

[2]張祥彩，李洪文，王慶杰，等. 我國北方地區(qū)機(jī)械化深松技術(shù)的研究現(xiàn)狀[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2015(8)：261-264，268.

[3]王志窮，王維新，李霞，等. 保護(hù)性耕作條件下深松技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2016(6)：253-258.

[4]王宏立，張偉. 基于Pro/E的深松鏟結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2011(1)：141-144.

[5]陳坤. 后掠式弧形深松鏟柄的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[D]. 長春：吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)，2012.

[6]馬愛麗. 基于LS-DYNA果園螺旋開溝機(jī)模擬試驗(yàn)研究及其優(yōu)化設(shè)計(jì)[D]. 武漢：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2008.

[7]劉輝. 基于LS-DYNA的旱地旋耕刀工作機(jī)理研究[D]. 重慶：西南大學(xué)，2012.

[8]余泳昌，劉文藝，趙迎芳，等. 立柱式深松鏟受力數(shù)學(xué)模型及試驗(yàn)分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2007，23(6)：109-113.