基于SPH算法的深松鏟土壤切削過程仿真及試驗研究

曹中華，崔晉波，湛小梅，李亞麗，王圓明，余雪源，劉汶樹，宋樹民

(重慶市農(nóng)業(yè)科學院，重慶 401329)

0 引言

為避免土壤耕作過程中出現(xiàn)的地力下降問題，進行土壤深松是迫切的需要[1]。土壤深松技術對于耕層植被和土粒的結(jié)構基本不會有影響，有利于降低能耗及成本[2]。深松鏟是實現(xiàn)深松技術的核心部件，深松機在田間作業(yè)的主要能耗來自于深松鏟克服土壤阻力所做的功[3]。目前，深松作業(yè)面臨的主要問題是作業(yè)時的切削阻力較大，為達到理想的耕作效果，研究深松鏟耕作過程中的切削阻力問題刻不容緩。

本文以MASCHIO PINOCCHIO系列全方位深松機的核心部件深松鏟為研究對象，該深松鏟采用鑿型鏟加雙翼鏟結(jié)構，最大耕深分別達到450、550、650mm；深松鏟通過鏟尖入土深松、鏟翼淺松側(cè)翻土壤、破土鏟對土壤進行破碎。由于工作過程中，耕深較深，土壤切削阻力較大，能耗較大，所以為了降低能耗，進行土壤切削阻力的研究必不可少。然而，目前主要是針對深松鏟的結(jié)構參數(shù)進行研究，建立深松鏟受力數(shù)學模型，對于研究深松鏟土壤切削過程的研究還比較少，不能準確描述深松鏟工作過程中的受力狀態(tài)，更不能準確地建立深松鏟土壤切削系統(tǒng)模型[4-8]。

傳統(tǒng)方法是通過田間試驗數(shù)據(jù)的理論修正來進行農(nóng)業(yè)機具的優(yōu)化研究，這種方法是直觀、可靠的[9-10]。

然而，田間試驗是一個復雜的系統(tǒng)工程，需要收到人、物、時間、天氣等條件的制約，因此試驗周期長，而且試驗結(jié)果不能有效反應機具—土壤相互作用的過程，具有一定的局限[11-14]。20世紀末以來，研究者逐漸將數(shù)值模擬方法引入到農(nóng)機具與土壤相互作用的研究中，可對農(nóng)機具和土壤相互作用過程進行仿真，直觀反映土壤的運動軌跡和刀具的受力大小[15-17]。因此，本文基于光滑粒子流體動力學(SPH)方法，對深松鏟土壤切削過程進行仿真，分析深松鏟在切削土壤過程中的運動特征和力學行為，并基于耕整地移動式田間動態(tài)試驗臺進行田間試驗以驗證仿真的準確性，揭示深松鏟工作過程中切削阻力的變化規(guī)律，為未來進行深松鏟的減阻耐磨特性研究和優(yōu)化設計提供理論依據(jù)，也為其他耕作部件土壤切削過程的研究提供理論基礎。深松鏟主要有機械式和振動式兩種類型，本文研究機械式深松鏟。

1 深松鏟切土動力學仿真流程

深松鏟土壤切削動力學仿真流程如圖1所示。

2 深松鏟土壤切削過程仿真研究

本文以MASCHIO深松機的深松鏟為研究對象，為了使模擬更符合實際情況，運用SPH法對深松鏟土壤切削過程進行仿真分析。

2.1 SPH數(shù)值分析方法

SPH是一種基于插值理論的無網(wǎng)格的純拉格朗日方法，實質(zhì)是將連續(xù)體離散成相互作用的粒子，由各粒子分擔連續(xù)體的質(zhì)量、速度等物理量，求解時對各粒子分開求解進而獲得整體信息。其計算不需要依賴網(wǎng)格，因此在解決大變形問題上具有獨到優(yōu)勢。深松鏟土壤切削過程是一個大變形過程，為了使仿真過程更接近實際情況，本文基于SPH法來仿真深松鏟土壤切削過程。

圖1 深松鏟切土動力學仿真流程Fig.1 The flow chart of soil cutting process by subsoiler

2.2 建立仿真模型

2.2.1 土壤SPH模型

本文所選土壤為川渝地區(qū)較為普遍的紫色土壤，參照土工試驗方法標準和相關研究對其進行參數(shù)測定[18-21]，測得土壤干密度為ρ=1 760kg/m3，內(nèi)聚力c=5.2e+4Pa，內(nèi)摩擦角φ=0.223rad相關參數(shù)如表1所示。

表1 土壤參數(shù)Table1 Parameters of soil

續(xù)表1

在LS-Prepost中建立SPH土壤模型，土壤大小為700mm×450mm×500mm，各方向粒子層數(shù)為70、45、50，構建完成后的土壤SPH模型如圖2所示。

圖2 土壤SPH模型Fig.2 The SPH model of soil

2.2.2 深松鏟有限元模型

深松鏟結(jié)構復雜，在ANSYS中建模困難，本文運用三維掃描儀逆向進行深松鏟點云構建，然后在CATIA中進行三維實體建模。運用Hypermesh軟件進行深松鏟網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元尺寸為5mm，共452 759個單元，深松鏟有限元模型如圖3所示。深松鏟的主要參數(shù)如表2所示。

圖3 深松鏟有限元模型Fig.3 Finite element model of subsoiler表2 深松鏟參數(shù)Table 2 Parameters of subsoiler

參數(shù)名稱單位取值深松鏟前進速度m/s1深松鏟旋轉(zhuǎn)速度rad/s0

續(xù)表2

2.2.3 土壤—深松鏟有限元模型

在建立土壤—開溝刀具模型時，為有效避免切削土壤過程中土壤大變形問題造成的網(wǎng)格畸變和負體積，本文采用SPH法建立土壤模型，在LS-PREPOST中直接生成SPH粒子，建立700mm×450mm×500mm的SPH土壤模型。圖4為土壤—深松鏟的有限元模型。

圖4 土壤—深松鏟有限元模型Fig.4 The finite element model of soil-subsoiler

2.3 深松鏟切削土壤過程仿真與分析

運用LS-Prepost軟件查看LS-DYNA971求解結(jié)束后生成的d3plot文件。本文通過LS-Prepost軟件可以直觀地看到深松鏟對土壤進行深松的過程，同時可以看到深松鏟的運動情況，以及土壤的運動、破碎和變形情況，深松鏟和土壤的受力情況；而且，可以通過分析深松鏟切削土壤過程中的應變和應力云圖，了解土壤應力和應變的分布情況，可以清晰地看到應力集中的位置；通過提取切削力時程曲線分析深松鏟的切削阻力。

2.3.1 切削過程仿真

從圖4和圖5可以看出深松鏟土壤切削仿真過程的效果。圖4為深松鏟土壤切削有限元模型，也是初始狀態(tài)，深松鏟與土壤不接觸，SPH粒子不產(chǎn)生任何變化。圖5中，t=0.2s時刻，深松鏟開始切削土壤，鏟尖最先與土壤接觸，土壤發(fā)生破壞，深松鏟繼續(xù)切削土壤運動，鏟翼也對土壤進行切削；t=0.4s時刻，深松鏟的鏟尖和鏟翼同時進行土壤切削；t=0.6s時刻，整個深松鏟完全進入土壤，此刻也基本處于切削穩(wěn)定狀態(tài)，深松鏟對土壤擾動范圍也最大；t=0.8s時刻，深松鏟土壤切削過程在設置時間內(nèi)結(jié)束，深松鏟鏟尖切出土壤，深松鏟通過對土壤的抬升、扭曲和翻轉(zhuǎn)，土壤被切削部分的通透性加強，底層土壤的緊實度增加，該部分SPH粒子排列不均勻，與田間作業(yè)情況相吻合。

(a) t=0.2s (b) t=0.4s

(c) t=0.6s (d) t=0.8s圖5 深松鏟切削土壤過程Fig.5 The process of soil cutting by subsoiler

2.3.2 土壤的等效應力、應變情況分析

圖6和圖7反應了深松鏟切削土壤過程土壤的等效應力和等效應變效果。

圖6中，t=0.2s時刻深松鏟鏟尖進入土壤對土壤進行深松，此刻土壤受到最大等效應力為1.361MPa；t=0.4s時刻深松鏟鏟尖和鏟翼同時對土壤進行深松和淺松，此刻最大等效應力為1.469MPa；t=0.6s時刻整個深松鏟都進入土壤，對土壤進行深松、淺松和破土，此刻最大等效應力為3.184MPa；t=0.8s時刻深松鏟鏟尖切除土壤，切削過程結(jié)束，此刻土壤最大等效應力為3.025MPa。

通過圖7得出：土壤所受的最大等效應變和最大等效應力分布基本一致，都分布在鏟尖、鏟翼和破土鏟與土壤接觸位置。深松鏟土壤切削整個過程，SPH土壤粒子的擾動也在不斷變化，剛開始接觸時土壤粒子擾動較小。隨著深松鏟的鏟尖、鏟翼和破土鏟逐漸進入土壤， SPH土壤粒子的擾動加大， 且內(nèi)側(cè)擾動明顯大于外側(cè)，說明深松鏟內(nèi)側(cè)SPH土壤的應力、應變大于外側(cè)。

(a) t=0.2s

(b) t=0.4s

(c) t=0.6s

(d) t=0.8s圖6 土壤等效應力分布圖Fig.6 Equivalent stress distribution map of soil

(a) t=0.2s

(b)t=0.4s

(c)t=0.6s

(d)t=0.8s圖7 土壤等效應變分布圖Fig.7 Equivalent strain distribution map of soil

2.3.3 深松鏟切削阻力分析

深松鏟土壤切削過程中深松鏟受到土壤的反作用力即為切削阻力。深松鏟的切削阻力可以通過在LS-Prepost 中載入rcforc文件進行查看。圖8(a)為x、y、z3個方向的切削阻力；圖8(b)為切削阻力合力Resultant Force的時程曲線。

(a) x、y、z方向切削阻力曲線

(b) 深松鏟切削阻力合力曲線圖8 深松鏟切削阻力時程曲線Fig.8 Curve of tillage resistance of subsoiler

由圖8(a)可以得出：深松鏟切削阻力由x、y、z3個方向的阻力合成，值為負說明所受力為阻力。A曲線的走勢說明了在深松鏟運動方向受到最大的切削阻力；B曲線的走勢說明了在深松鏟切削運動過程中，在豎直方向也會受到較大的切削阻力；C曲線的走勢說明在深松鏟切削土壤運動過程中在兩側(cè)會受到土壤的擠壓，產(chǎn)生較小的土壤擠壓力，該方向的力對切削阻力的影響不大。

由圖8(b)可知：初始時刻，深松鏟土壤未進行接觸，切削阻力數(shù)值為0；緊接著，深松鏟鏟尖首先切入土壤，切削阻力增大，隨著深松鏟鏟翼和破土鏟逐漸切入，切削阻力逐漸增大；0.6s時刻，深松鏟全部切入土壤，切削阻力達到最大值；0.8s時刻深松鏟離開土壤，切削阻力逐漸降低。結(jié)合圖6和圖7土壤等效應力和等效應變變化情況，證明切削阻力和土壤等效應力和等效應變存在關聯(lián)性。

0.5s時刻深松鏟完全進入土壤，0.8s時刻深松鏟開始切出土壤，提取圖8中0.5～0.8s切削阻力數(shù)據(jù)，在Excel中進行計算，得出平均切削阻力為3.65kN。

3 田間試驗驗證

3.1 試驗條件

試驗在重慶市農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)機械研究所農(nóng)機中試基地進行，以履帶式拖拉機作為牽引動力。試驗過程中，拖拉機前進速度為3.6km/h，耕深標定為450mm。深松鏟切削阻力測試系統(tǒng)采用耕整地移動式田間動態(tài)試驗臺。耕作土壤為川渝地區(qū)較為普遍的紫色土壤，其物理特性參數(shù)如表3所示。

表3 試驗區(qū)土壤物理特性參數(shù)Table 3 Soil physical parameters in the test area

該試驗臺由輕型履帶式拖拉機、田間作業(yè)機具測試系統(tǒng)及相應測試傳感器組成，主要適用于南方丘陵山區(qū)較平坦、開闊地塊，可用于旋耕機、深松機等農(nóng)機具在不同土壤工況(不同堅實度、不同含水率)下的田間作業(yè)性能試驗，可直接測試深松鏟工作過程中x、y、z3個方向的切削阻力。該系統(tǒng)由服務器端平臺和遠端平臺兩大部分組成。其中，遠端平臺能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的實時采集與處理、試驗參數(shù)配置、試驗數(shù)據(jù)文件存儲于上傳及采集模塊故障檢測等多種功能。服務器端平臺由計算機及相應測試應用軟件組成，可以實現(xiàn)實時查看遠端平臺測試試驗運行狀態(tài)、試驗結(jié)束后的數(shù)據(jù)文件遠程存儲等功能。

試驗之前應進行傳感器檢查、參數(shù)設置、速度標定、耕深標定和模塊檢測等事項。田間試驗過程如圖9所示。

圖9 田間試驗過程Fig.9 Field test process

其他試驗儀器包括TJSD-750堅實度儀、TZS-I水分儀、環(huán)刀。

該系統(tǒng)通過實時采集并處理農(nóng)機具在田間作業(yè)時的工作性能參數(shù)和拖拉機常規(guī)性能參數(shù)，可用于研究分析農(nóng)機具在不同作業(yè)工況下的作業(yè)性能情況及其與拖拉機能耗之間的關系，為農(nóng)機具的研發(fā)、改進提供可靠的科研數(shù)據(jù)支撐。

3.2試驗內(nèi)容與結(jié)果分析

本文通過耕整地移動式田間動態(tài)試驗臺進行深松鏟切削土壤田間試驗，試驗過程中深松鏟耕作深度為450mm，土壤堅實度為1 021kPa，土壤含水率為21%，土壤容積密度為1 760kg/m3。同時，運用遠端田間作業(yè)機具測試系統(tǒng)采集耕作過程中深松鏟切削阻力數(shù)據(jù)，提取20組數(shù)據(jù)(見表4)，求取切削阻力平均值為3.542kN，與仿真結(jié)果相比誤差為2.9%，驗證了基于SPH法進行深松鏟切削土壤過程的仿真是可行的。

表4 深松鏟切削土壤試驗前進速度-切削阻力表Table 4 Forward speed - cutting resistanceTable of soil cutting process by subsoiler

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

1)基于SPH算法研究了深松鏟土壤切削過程仿真，建立了深松鏟-土壤有限元模型，直觀展示了深松鏟土壤切削過程，與實際情況基本吻合。

2)深松鏟土壤切削仿真表明：不同時刻、不同方向等效應力變化規(guī)律不同。切削過程中，最大等效應力為3.184MPa，土壤所受的最大等效應變和最大等效應力分布基本一致，都分布在鏟尖、鏟翼和破土鏟與土壤接觸位置。

3)在耕深為450mm、深松鏟前進速度為3.6km/h、土壤堅實度為1 021kPa、土壤含水率為21%情況下，進行深松鏟土壤切削仿真，在深松鏟完全進入土壤時求解土壤切削阻力平均值為3.65kN。

4)基于耕整地移動式田間動態(tài)試驗臺進行田間試驗，測試深松鏟切削阻力值。在耕作穩(wěn)定后提取20組數(shù)據(jù)進行切削阻力平均值求解為3.542kN，與仿真結(jié)果對比誤差為3.05%，驗證了基于SPH法進行深松鏟切削土壤過程的仿真是可行的。

4.2 展望

1)通過對深松鏟的結(jié)構參數(shù)和運動參數(shù)的研究，結(jié)合數(shù)值模擬方法和田間試驗，進行深松鏟的優(yōu)化設計，以達到進一步減阻降耗的目的。

2)基于流固耦合理論，采用數(shù)值模擬方法的耦合來進行深松鏟切削土壤過程的仿真分析。