黏土與松土部件互作的離散元仿真標(biāo)定與試驗(yàn)

范 維,張富貴 ,閆建偉,鄭 樂(lè), 潘東彪,韓忠祿

(1.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 貴陽(yáng) 550025;2.貴州省農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)推廣總站,貴陽(yáng) 550003)

0 引言

在松土鏟松土過(guò)程中發(fā)現(xiàn),松土鏟與土壤接觸的部件黏土情況嚴(yán)重,尤其是雨季土壤含水率較高時(shí),農(nóng)機(jī)具由于土壤黏附嚴(yán)重,損耗的功率增加甚至難以進(jìn)行正常作業(yè)。為了解決這一問(wèn)題,需要對(duì)觸土部件進(jìn)行減阻降黏設(shè)計(jì),并通過(guò)離散元的仿真試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證其減阻降黏的效果。為了提高土壤與觸土部件離散元仿真結(jié)果與實(shí)際情況的吻合度,需要對(duì)黏壤土的離散元仿真參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。

土壤的離散元仿真參數(shù)標(biāo)定時(shí),因土壤與土壤、土壤與觸土材料之間的相互作用力學(xué)情況復(fù)雜,一直都是研究的難點(diǎn)[1-5]。由于每個(gè)地區(qū)的土壤類型不同,有沙土、黑黏土、黃黏土等,對(duì)于不同土壤情況的研究具有很高的價(jià)值[6-8]。目前,隨著離散元仿真的不斷推廣,利用離散元仿真對(duì)于種子參數(shù)的標(biāo)定、土壤與觸土材料的參數(shù)標(biāo)定進(jìn)行了一定的研究,取得了一定的成果[9-12]。

筆者以貴州黏壤土為研究對(duì)象,模擬下雨天土壤含水率較高(21%)的情況,利用實(shí)際試驗(yàn)與仿真試驗(yàn)相結(jié)合的方式,以EDEM 中的Hertz-Mindlin with Bonding 作為土壤與土壤之間、土壤與觸土材料之間的接觸模型,得到最優(yōu)參數(shù)值,并對(duì)最優(yōu)參數(shù)值進(jìn)行了驗(yàn)證。進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn),以松土鏟松土作業(yè)后的土壤黏附量為目標(biāo)值,與相對(duì)應(yīng)的仿真松土鏟黏附的土壤量作對(duì)比,并對(duì)建立的模型進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 土壤與土壤之間仿真參數(shù)的標(biāo)定

1.1 土壤本征參數(shù)的確定

利用比重法測(cè)得土壤密度為1217.52kg/m2,泊松比、剪切模量根據(jù)文獻(xiàn)得到[13]。南方黏壤土泊松比一般為0.25～0.45,選擇0.38,剪切模量選擇1.2MPa,用烘干法重復(fù)3次得到土壤含水率為(21±0.1)%。

1.2 土壤與土壤之間物理參數(shù)的標(biāo)定

土壤與土壤之間的離散元仿真物理參數(shù)有JKR表面能、恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦因數(shù)及動(dòng)摩擦因數(shù),這些物理參數(shù)很難通過(guò)具體的試驗(yàn)測(cè)得,需通過(guò)堆積角試驗(yàn)與仿真試驗(yàn)間接獲得土壤與土壤之間物理參數(shù)。

1.2.1 土壤堆積角測(cè)試

采用注入法,搭建如圖1所示的試驗(yàn)平臺(tái)。試驗(yàn)時(shí),將含水率為(21±0.1)%土壤放入漏斗中,土壤從漏斗下方傾注到下面的底板上,形成一個(gè)堆積形狀;利用直尺和量角器從堆積形狀的不同方位測(cè)量出堆積角,取其平均值,再用相同含水率的土壤重復(fù)上述試驗(yàn),得到含水率為(21±0.1)%土壤形成的堆積角為40.37°。

圖1 堆積角試驗(yàn)Fig.1 Accumulation angle test

1.2.2 最陡爬坡試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

EDEM軟件的GEMM數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)于不同土壤仿真參數(shù)的推薦:根據(jù)選擇土壤的密度和堆積角的角度得到土壤之間JKR、恢復(fù)系數(shù)、滾動(dòng)摩擦因數(shù)和靜摩擦因數(shù)的推薦范圍,如表1所示。

表1 土壤與土壤之間參數(shù)推薦范圍Table 1 Recommended range of parameters between soils

由表1可知:JKR、恢復(fù)系數(shù)、滾動(dòng)摩擦因數(shù)、靜摩擦因數(shù)的范圍值過(guò)大,尤其是JKR值范圍都在0～16之間。為了更準(zhǔn)確地確定不同含水率下的各個(gè)仿真參數(shù)值,需要進(jìn)行最陡坡試驗(yàn),如表2所示。

表2 土壤與土壤之間參數(shù)的最陡坡試驗(yàn)Table 2 Steepest slope test of soil-to-soil parameters

通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),相對(duì)誤差越小,越接近目標(biāo)值。選取相對(duì)誤差最小作為中心點(diǎn),上下水平作為低、高水平進(jìn)行Box-Behnken試驗(yàn),利用試驗(yàn)得到目標(biāo)值的參數(shù)。這里取土壤物理參數(shù)范圍JKR為4～8J/m2,恢復(fù)系數(shù)0.3～0.4,滾動(dòng)摩擦因數(shù)0.025～0.075,靜摩擦因數(shù)為0.44～0.92。

1.2.3 Box-Behnken正交仿真試驗(yàn)的設(shè)計(jì)

根據(jù)土壤與土壤之間物理參數(shù)范圍,設(shè)計(jì)三水平四因素的試驗(yàn),如表3所示。

表3 土壤與土壤之間參數(shù)正交設(shè)計(jì)Table 3 Orthogonal design of soil-to-soil parameters

Box-Behnken正交試驗(yàn)需要29組堆積角數(shù)據(jù),利用EDEM仿真軟件,輸入不同的土壤物理參數(shù)得到土壤堆形,并利用EDEM后處理中自帶的量角器從X、Y、-X、-Y4個(gè)方位來(lái)測(cè)量其堆積角,取其平均值,如表4所示。

表4 土壤與土壤之間參數(shù)的堆積角正交試驗(yàn)Table 4 Stacking angle orthogonal test of soil-to-soil parameters

續(xù)表4

1.3 土壤堆積角仿真試驗(yàn)結(jié)果與分析

1.3.1 堆積角回歸模型分析

Box-Behnken正交試驗(yàn)得到土壤與土壤之間的堆積角回歸模型為

y=45.14+7.46A+3.28B+0.51C+0.95D+0.70AB+ 0.25AC-0.11AD-0.40BC-2.02BD+0.70CD- 6.54A2-1.20B2-1.65C2-0.74D2

其中,A為表面能JKR(J/m2);B為恢復(fù)系數(shù);C為滾動(dòng)摩擦因數(shù);D為靜摩擦因數(shù)。

試驗(yàn)?zāi)Ｐ头讲钊绫?所示。因模型的P值小于0.0001,說(shuō)明這個(gè)堆積角模型是有效顯著的,可以作為預(yù)測(cè)模型。對(duì)于模型中的因素進(jìn)行分析:其中,A、B對(duì)于堆積角的影響極顯著;C的P值為0.3389>0.01,對(duì)于堆積角的影響不顯著;顯著性影響順序?yàn)锳>B>D>C,二次方中只有A2對(duì)于堆積角的影響極顯著,其他交互作用均不顯著。

表5 土壤與土壤之間參數(shù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ头讲頣able 5 Variance of soil-to-soil parameter test model

1.3.2 目標(biāo)堆積角最優(yōu)參數(shù)的確定

以土壤堆積角40.37°作為目標(biāo)值,利用Design-expert 軟件進(jìn)行尋優(yōu),得到多組土壤物理參數(shù)結(jié)果。對(duì)于這多組結(jié)果進(jìn)行堆積角仿真試驗(yàn),獲得堆積角的角度,得到最接近于40.37°的一組結(jié)果(見(jiàn)圖2),即為該模型下的最優(yōu)解:表面能JKR為8.884J/m2,恢復(fù)系數(shù)為0.382;靜摩擦因數(shù)為1.130;滾動(dòng)摩擦因數(shù)為0.053。

圖2 最優(yōu)參數(shù)仿真結(jié)果與堆積試驗(yàn)對(duì)比Fig.2 Comparison between simulation results of optimal parameters and stacking test

2 土壤與松土鏟材料之間的參數(shù)標(biāo)定

土壤與松土鏟之間的參數(shù)標(biāo)定是物理試驗(yàn)和仿真試驗(yàn)相結(jié)合的方式,主要是通過(guò)測(cè)量土球在一定角度斜面上滾落到水平位置板上且在水平放置的板上所滾動(dòng)的距離,以滾動(dòng)距離作為目標(biāo)響應(yīng)值來(lái)建立模型,獲得最佳的參數(shù)。

2.1 斜面試驗(yàn)的設(shè)計(jì)與結(jié)果

使用松土鏟的材料Q345鋼,作為斜面試驗(yàn)的斜坡和底板材料。參閱資料得到Q345鋼的密度為7850 kg/m2;泊松比為0.3;剪切模量為80GPa。斜面試驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖3所示。試驗(yàn)時(shí),利用直徑為4mm、含水率為21%的特制土球,從坡度為25°、坡道長(zhǎng)為95mm的斜坡上自由滾落,最后在底板上停止?jié)L動(dòng)。斜坡地面到土球的距離為滾動(dòng)距離,即為本試驗(yàn)的目標(biāo)響應(yīng)值;重復(fù)10次試驗(yàn),取其平均值,得到最終的滾動(dòng)距離為140.7mm。

圖3 斜面試驗(yàn)Fig.3 Inclined plane test

2.2 土壤與觸土材料之間物理參數(shù)的仿真試驗(yàn)

以滾動(dòng)距離為響應(yīng)值,表面能JKR(J/m2)、恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦因數(shù)、滾動(dòng)摩擦因數(shù)為影響因素,設(shè)計(jì)四因數(shù)三水平的正交試驗(yàn)。

2.2.1 爬坡預(yù)試驗(yàn)

在做正交試驗(yàn)前,先進(jìn)行最陡坡試驗(yàn),確保斜面試驗(yàn)數(shù)據(jù)精確,試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。取相對(duì)誤差最小的序號(hào)3為中心,序號(hào)2、4為低、高水平。

表6 土壤與材料之間參數(shù)的最陡坡試驗(yàn)Table 6 Steepest slope test of parameters between soil and material

2.2.2 正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)

通過(guò)EDEM斜坡試驗(yàn)仿真得到不同參數(shù)下土球的滾動(dòng)距離,正交試驗(yàn)如表7所示,仿真過(guò)程如圖4所示。

表7 土壤與觸土材料之間參數(shù)的正交試驗(yàn)Table 7 Orthogonal test of parameters between soil and soil touching material

圖4 斜坡的仿真試驗(yàn)Fig.4 Simulation test of slope

2.3 滾動(dòng)距離的仿真試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.3.1 模型結(jié)果分析

通過(guò)土壤與松土鏟材料的斜坡試驗(yàn),得到正交模型的回歸方程為

y=162.06-49.28x1+3.26x2-0.95x3-

10.39x4-15.73x1x2+1.72x1x3-15.36x1x4+

其中,y為滾動(dòng)距離(mm);x1為表面能JKR(J/m2);x2為恢復(fù)系數(shù);x3為靜摩擦因數(shù);x4為滾動(dòng)摩擦因數(shù)。

通過(guò)該模型的方差表得到,模型的p值為0.0002<0.01,說(shuō)明模型是可靠的。分析各個(gè)因素以及因素之間的交互作用對(duì)于響應(yīng)值的影響,可以得到4個(gè)因素對(duì)于響應(yīng)值的影響大小順序?yàn)镴KR>滾動(dòng)摩擦因數(shù)>恢復(fù)因數(shù)>靜摩擦因數(shù)。其中,JKR極為顯著。因素之間的交互作用只有JKR的二次方對(duì)于響應(yīng)值影響顯著,其它都不顯著。

2.3.2 目標(biāo)最佳參數(shù)值的確定

以土球的滾動(dòng)距離140.7mm作為目標(biāo)值,得到多組優(yōu)化數(shù)據(jù)參數(shù),依次進(jìn)行斜坡的仿真試驗(yàn),記錄土球的滾動(dòng)距離,最接近目標(biāo)值的參數(shù)為最佳參數(shù)。最佳參數(shù)為:JKR為6.975J/m2,恢復(fù)系數(shù)為0.428,靜摩擦因數(shù)為0.054,滾動(dòng)摩擦因數(shù)為0.054。

3 松土過(guò)程仿真與驗(yàn)證

通過(guò)上述試驗(yàn)得到了EDEM離散元仿真所需要的土壤與土壤之間、土壤與接觸材料之間的參數(shù)數(shù)據(jù),利用松土鏟的臺(tái)架試驗(yàn)土壤的黏附量情況與仿真試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比,來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證模型的有效性和可靠性。

3.1 臺(tái)架試驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室搭建臺(tái)架和土槽,配置含水率為21%的土壤;將松土鏟固定在臺(tái)架上,在土槽中進(jìn)行松土作業(yè),土壤黏附在松土鏟表面,如圖5所示。試驗(yàn)時(shí),將黏附在松土鏟上的土壤刮下,用電子秤測(cè)得黏附土壤質(zhì)量,重復(fù)上述試驗(yàn)5次得到松土鏟作業(yè)后黏附土壤量的平均值為123.53g。

圖5 松土作業(yè)后土壤黏附情況Fig.5 Soil adhesion after soil loosening

3.2 松土鏟作業(yè)仿真試驗(yàn)

建立與臺(tái)架試驗(yàn)相同的環(huán)境,利用上述得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行離散元仿真試驗(yàn),模擬松土鏟在土壤中松土的過(guò)程,如圖6所示。通過(guò)EDEM軟件處理中的質(zhì)量傳感器,測(cè)量出松土鏟松土工作后黏附在松土鏟尖和鏟柄上的土壤質(zhì)量為131.082g,如圖7所示。與前面臺(tái)架試驗(yàn)松土鏟黏附土壤量進(jìn)行對(duì)比,得到相對(duì)誤差為5.70%。 相對(duì)誤差在合理范圍內(nèi),證明了土壤與土壤之間、土壤與接觸材料之間的參數(shù)數(shù)據(jù)及建立的模型的可靠性。

圖6 松土鏟作業(yè)過(guò)程的仿真Fig.6 Simulation of soil shovel operation process

圖7 松土鏟作業(yè)后土壤情況Fig.7 Soil condition after shovel loosening operation

4 結(jié)論

1)通過(guò)堆積試驗(yàn),以堆積角為響應(yīng)值,進(jìn)行四因素三水平正交試驗(yàn),建立了合理的模型,得到土壤含水率為(21±0.1)%的土壤與土壤之間模型參數(shù)最優(yōu)解為:JKR為8.884J/m2,恢復(fù)系數(shù)為0.275,靜摩擦因數(shù)為0.504,滾動(dòng)摩擦因數(shù)為0.038。

2)利用土球在斜面上滾動(dòng)的試驗(yàn),以滾動(dòng)距離為響應(yīng)值,進(jìn)行正交試驗(yàn),建立正交模型,得到土壤含水率為(21±0.1)%的土壤與接觸材料之間的仿真參數(shù),即JKR為6.975J/m2;恢復(fù)系數(shù)為0.428;靜摩擦因數(shù)為0.054;滾動(dòng)摩擦因數(shù)為0.054。

3)通過(guò)松土鏟松土作業(yè)的臺(tái)架試驗(yàn),得到土壤含水率為21%時(shí)黏附在松土鏟表面的土壤質(zhì)量。再利用得到的離散元模型參數(shù),進(jìn)行同樣條件下松土鏟松土作業(yè)的離散元仿真試驗(yàn),得到黏附土壤的質(zhì)量,臺(tái)架試驗(yàn)與仿真試驗(yàn)兩者之間黏附土壤的相對(duì)誤差為5.70%,誤差在合理范圍內(nèi)。