基于有限元法的波紋形仿生深松鏟仿真分析

邱兆美， 張海峰， 張 伏， 毛鵬軍， 馬延武

(河南科技大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院，河南洛陽(yáng) 471003)

傳統(tǒng)耕地作業(yè)會(huì)使耕地形成堅(jiān)硬的犁地層[1]，影響土壤的蓄水保墑能力，長(zhǎng)時(shí)間耕種會(huì)造成水土流失、土壤退化、耕作層透水透氣性較差等現(xiàn)象，而深松耕作可以解決傳統(tǒng)耕地作業(yè)產(chǎn)生的遺留問(wèn)題[2-10]。但深松鏟在深松作業(yè)時(shí)受到的阻力較大，如何減小深松鏟受到的阻力已成為一個(gè)待解決的問(wèn)題。土壤動(dòng)物具有良好的掘土功能，而蚯蚓是一種典型的土壤動(dòng)物，有良好的掘土性能和對(duì)土塊的松碎性能，它所具有的降阻特性主要由其體表結(jié)構(gòu)、體表柔性、體表潤(rùn)滑等諸多因素共同決定[10-16]，仿生深松鏟采用蚯蚓的波紋形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中深松鏟鏟尖波紋形結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1 深松鏟運(yùn)動(dòng)仿真分析

LS-DYNA程序是可以以顯式求解、非線性動(dòng)力分析(如動(dòng)力分析前的預(yù)應(yīng)力計(jì)算)為主的通用結(jié)構(gòu)分析非線性有限元程序，能夠求解各種材料非線性、接觸非線性、幾何非線性等問(wèn)題。深松鏟以一定的速度侵入土壤時(shí)，土壤會(huì)產(chǎn)生彈性變形、塑性變形、失效等作用。在整個(gè)鏟體切削土壤過(guò)程中存在著嚴(yán)重的非線性問(wèn)題，首先接觸面與接觸邊界在不斷變化，其次在接觸面上存在著摩擦和滑動(dòng)，因此，深松鏟在土壤中的深松過(guò)程屬于非線性結(jié)構(gòu)的沖擊動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。為解決此問(wèn)題，本研究在Hypermesh軟件中采用彈塑性本構(gòu)關(guān)系模型作為土壤材料非線性有限元算法的計(jì)算模型。其中Hypermesh軟件可以支持很多不同的求解器輸入輸出格式，具有良好的求解器接口功能，利用Hypermesh軟件劃分好模型的有限元網(wǎng)格后，可以直接把計(jì)算模型轉(zhuǎn)化成不同的求解器文件格式，從而利用相應(yīng)的求解器進(jìn)行計(jì)算。Hypermesh軟件可以作為統(tǒng)一的計(jì)算機(jī)輔助工程(computer aided engineering，簡(jiǎn)稱CAE)應(yīng)用平臺(tái)，即統(tǒng)一利用Hypermsh軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后對(duì)不同的問(wèn)題利用不同的求解器進(jìn)行求解，進(jìn)而方便地管理數(shù)據(jù)文件，大大提高分析效率。

采用Hypermesh軟件設(shè)置深松鏟的材料參數(shù)，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分、約束設(shè)置以及載荷和初速度的施加。

1.1 材料參數(shù)

深松鏟模型的材料定義為剛體，特性參數(shù)可以參照錳鋼，密度為7.83×103kg/m3，彈性模量為2.07×106MPa，泊松比為0.3；土壤材料參數(shù)可以采用MAT Soil模型，密度為 1.4×103kg/m3，剪切模量為3×107Pa，泊松比為0.36，分形系數(shù)為2.8，內(nèi)摩擦角為30°，黏聚力為5×10-6Pa；深松鏟和土壤之間的接觸算法選擇面面算法，接觸的剛度系數(shù)設(shè)置為4.0。

1.2 建模與網(wǎng)格劃分

在SolidWorks軟件中構(gòu)建深松鏟模型，按照幾何結(jié)構(gòu) 1 ∶1 建模，土壤模型的尺寸為0.90 m×0.60 m×0.50 m。深松鏟和土壤在建模時(shí)均為對(duì)稱幾何體，因此在Hypermesh軟件中劃分網(wǎng)格時(shí)可以考慮對(duì)一半模型劃分網(wǎng)格，然后再利用對(duì)稱關(guān)系，對(duì)另一半模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

1.3 約束設(shè)置

深松鏟在深松土壤時(shí)，沿著x軸水平負(fù)方向運(yùn)動(dòng)，其中x軸與y軸、z軸垂直(x軸為深松鏟前進(jìn)方向，前進(jìn)方向?yàn)樨?fù)；y軸為水平垂直x軸方向；z軸為為豎直方向，向上方向?yàn)檎?。因此，須要約束深松鏟y軸、z軸的水平自由度和所有坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)自由度，并且約束土壤的地面全自由度(土壤x軸和y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，側(cè)面z軸的平動(dòng)自由度)。

1.4 施加載荷和初速度

在Hypermesh軟件中，設(shè)置深松鏟沿x軸方向運(yùn)動(dòng)的初速度、位移、時(shí)間，并生產(chǎn)以k為文件名的文件，導(dǎo)入到ANSYS/LS-DYNA中進(jìn)行仿真運(yùn)算。

2 深松鏟仿真結(jié)果與分析

在深松深度為300 mm，切削速度為1.25 m/s時(shí)，采用 LS-DYNA模擬深松鏟的耕作阻力隨時(shí)間變化的曲線。由圖2可以看出，當(dāng)深松鏟鏟尖與土壤接觸時(shí)，開(kāi)始切削土壤，深松鏟所受阻力從0開(kāi)始增加。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，深松鏟不斷地切削土壤，深松鏟與土壤的接觸面積逐漸增大，深松鏟受到的土壤阻力也不斷增大。

當(dāng)深松鏟和土壤接觸時(shí)，接觸面積越大，深松鏟受土壤作用產(chǎn)生的載荷就越大。當(dāng)土壤受到的應(yīng)力載荷超過(guò)自身的彈性極限時(shí)，土壤的本構(gòu)關(guān)系遭到破壞，不再是理想的彈性狀態(tài)，進(jìn)入塑性狀態(tài)。隨著土壤進(jìn)入到塑性狀態(tài)，其自身開(kāi)始屈服，此時(shí)土壤未遭到完全破壞，可繼續(xù)承受載荷，當(dāng)土壤出現(xiàn)硬化情況時(shí)，深松鏟所受阻力達(dá)到峰值；當(dāng)土壤之間的凝聚力聚合鍵遭到破壞時(shí)，自身開(kāi)始失效，土壤開(kāi)始軟化，深松鏟受到的阻力開(kāi)始減小。由此可知，在深松作業(yè)過(guò)程中，當(dāng)深松鏟以恒定的速度前進(jìn)時(shí)，土壤將會(huì)在彈性狀態(tài)、塑性狀態(tài)、硬化狀態(tài)、失效狀態(tài)之間不斷轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致深松鏟受到的阻力在峰值和峰谷之間波動(dòng)，但保持一定的穩(wěn)定狀態(tài)。

通過(guò)仿真分析發(fā)現(xiàn)，深松鏟的耕作阻力在深松工作開(kāi)始0.25 s后趨于穩(wěn)定，利用0.25 s后的深松鏟工作阻力計(jì)算得到深松鏟受到的平均阻力。由圖3可知，當(dāng)深松鏟的耕作深度為0.3 m，前進(jìn)速度為 1.00、1.25、1.50 m/s時(shí)，仿生深松鏟所受的平均耕作阻力分別為4.28、4.40、4.50 kN，原深松鏟所受的平均耕作阻力分別為4.40、4.68、5.10 kN。

3 深松鏟靜應(yīng)力分析

根據(jù)深松鏟的實(shí)際工作情況，在深松鏟的觸土表面施加5 kN載荷，運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)深松鏟進(jìn)行靜應(yīng)力分析。

3.1 深松鏟材料特性

針對(duì)普通的工作情況，將深松鏟材料定義為剛體，其特性參數(shù)設(shè)置參照65 Mn錳鋼，密度為7.83×103kg/m3，楊氏模量為2.06×105MPa，屈服強(qiáng)度≥430 MPa，抗拉強(qiáng)度≥735 MPa，泊松比為0.3。對(duì)深松鏟采用自由網(wǎng)格劃分方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)深松鏟的入土表面施加面載荷。

3.2 有限元結(jié)果分析

經(jīng)ANSYS有限元分析計(jì)算，深松鏟的最大應(yīng)變集中在鏟尖的頭部，原深松鏟的分析結(jié)果如圖4所示，最大等效應(yīng)力為172.58 MPa，最大總應(yīng)變量為0.790 12 mm；仿生深松鏟的分析結(jié)果如圖5所示，最大等效應(yīng)力為116.75 MPa，最大總應(yīng)變量為0.560 22 mm。

通過(guò)分析仿真結(jié)果，深松鏟的最大應(yīng)力值小于65 Mn鋼的屈服極限(430 MPa)，符合材料的特性要求，且仿生深松鏟的最大應(yīng)力和最大總應(yīng)變量比原深松鏟小。與原深松鏟相比，在受到相同的沖擊載荷時(shí)，仿生深松鏟的工作性能更可靠，理論使用壽命較長(zhǎng)。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)深松鏟的運(yùn)動(dòng)仿真分析和靜態(tài)仿真分析發(fā)現(xiàn)，與原深松鏟相比，經(jīng)過(guò)改進(jìn)的波紋形仿生深松鏟受到的阻力較小，且最大等效應(yīng)力和最大總應(yīng)變量均較小，使得深松鏟的理論使用壽命得到提高，在一定程度上可提高深松鏟在面對(duì)土壤惡劣環(huán)境時(shí)工作的可靠性。由于實(shí)際工作環(huán)境的復(fù)雜性，后續(xù)將對(duì)仿生深松鏟進(jìn)行土槽試驗(yàn)，驗(yàn)證仿真分析結(jié)果的正確性及仿生深松鏟的減阻性能。

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