基于有限元的樹木移植機鏟刀挖掘力分析

孟兆新，王亮亮，范恒博

(東北林業大學 機電工程學院，哈爾濱 150040)

隨著我國城鎮化進程的不斷加快，保證城市生態環境成為當今社會不可推卸的責任，而城市綠化又是城市生態環境建設的主要任務，針對城市環境的局限性，樹木移栽成為了短時間內加速城市綠化水平的重要途徑。以往，樹木移植多以人工移栽為主，勞動強度大、生產成本高、生產規模小、移栽效率低、成活率也不高，因此機械化移植(特別是樹木移植機的應用)就成為了高效的現代化樹木移植技術亟需普及的樹木移栽方式。

鏟刀是樹木移植機的重要組成部件，根據切削土壤的方式和結構，鏟刀一般可分為U形鏟、弧形鏟和直鏟，而直鏟按照鏟刀形狀又分為菱形(曲面)鏟和V字形鏟等[1-2]。本文對直鏟式菱形鏟刀切削土壤過程受力情況進行理論分析，利用ANSYS/LS-DYNA軟件模擬鏟刀切削土壤的動態過程，分析切削土壤過程中土壤的應力變化及鏟刀切削阻力的變化情況，目的是為了減少切削阻力，尋找較優的鏟刀結構。

1 樹木移植機的基本結構與工作原理

圖1為四瓣式菱形鏟刀組結構示意圖，主要由：1懸掛架、2固定架、3開合油缸、4開合架、5定位套座、6定位油缸、7移動導軌、8鏟刀、9導軌架和10固定導軌組成。

樹木移植機工作時，通過液壓裝置開啟導軌架開閉鎖，前移使苗木位于鏟刀中央，閉合鏟刀組；控制液壓油缸使鏟刀依次入土挖掘苗木，將苗木與土壤分離；操縱懸掛機構提升鏟刀組及被土球包裹的苗木；將機器駛離挖掘點，卸下苗木，進行下一次作業。

圖1 四瓣式菱形鏟刀組結構示意圖

2 鏟刀切削土壤過程受阻力理論分析

樹木移植過程中土質條件多變且較為復雜，切削過程中的阻力主要有切入土壤時的切削阻力、土壤摩擦阻力、切削樹木根莖時的切斷阻力以及土壤中碎石對鏟刀的阻力等。

鏟刀與所切削的土壤間的相互作用力F：

F=Fu+Fv+Fa。

(1)

式中：Fu、Fv和Fa分別為鏟刀下鏟的過程中的位移、速度以及加速度產生的相互作用力。鏟刀下鏟速度一般較低，近于勻速，由此在考慮所受阻力時，忽略慣性力Fa的影響[3]。菱形鏟刀參數如圖2所示。

圖2 菱形鏟刀參數示意圖

由于鏟刀受阻力情況較為復雜，且當鏟刀在切削土壤時克服阻力，會發生變形應力分布情況復雜，另外，受土壤力學研究水平限制，傳統理論方法并不能完全求解鏟刀工作時所受阻力。因此，理論計算通常采用以相似理論為基礎的模型試驗建立下面的鏟刀切削阻力經驗公式[4]：

F=0.130 7X1.138 4·γ0.755 3·C0.2 447(13.927 5+0.563 3×100.024 3β)(kN)。

(2)

式中：X為鏟刀切削位移量m；γ為土壤容重，g/cm3；C為土壤內聚力Pa；β為鏟刀圍角的半角，°。

(3)

3 鏟刀切削土壤過程的虛擬仿真分析

3.1 菱形鏟刀及土壤有限元模型的建立

圖3 菱形鏟刀與土壤模型

在UG中建立菱形鏟刀及土壤三維模型，如圖3(a)所示。鏟刀組采用四瓣式，即鏟刀圍角d的半角，β=45°，H=100，a=45°，鏟刀厚度為1.4。

運行ANSYS12.0，導入已完成的三維模型。單元類型選用3D solid164單元，鏟刀材料設定為線彈性材料 “Elastic”模型，材料參數依次輸入：密度為7.8、彈性模量為EX=2E12、泊松比為0.3(本文采用g-cm-s單位制)。

由于土壤具有松散、多相、高度非線性等特點，屬于應變硬化和軟化的彈塑性材料[5-7]，因此在LS-DYNA中選用“SOIL_AND_FOAM_FAILURE”材料模型。部分土壤參數見表1，其他土壤參數根據LS-DYNA971關鍵字手冊中的*MAT_FHWA_SOIL模型設定。

表1 部分土壤參數

網格劃分時，對鏟刀采用智能網格劃分方式，對土壤采用手動控制線條單元個數的方法劃分，如圖3(b)所示。對土壤底面自由度全約束，側面采用無反射邊界條件約束。

在LS-DYNA中選擇面面接觸的侵蝕分析，設定ESTS-Eroding類型(當單元可能失效時所用的接觸，目的是在模型外部單元失效被刪除后，剩下的單元仍考慮接觸)。

3.2 鏟刀切削土壤虛擬仿真與結果分析

鏟刀以切削角45°、v=0.2 m/s勻速切削土壤，其切削過程仿真如圖4所示。

圖4 鏟刀切削土壤過程仿真

3.2.1 切削過程中應力分析

鏟刀以切削角45°勻速切削土壤，在0 s時與土壤接觸，尖端首先接觸土壤，之后隨著鏟刀與土壤接觸面積逐漸增大，在鏟刀的剪切和擠壓作用下，部分與鏟刀直接接觸的土壤單元被破壞，變形失效[8-9]。

通過后處理器LS-PREPOST查看結果，如圖5所示為不同時刻土壤的von mises stress分布圖。土壤的等效應力集中在刀具的刃口上部，而不是在刃口處，鏟刀切削過程中土壤沿刀面向上滑動，同時土壤受到前方和上部土壤壓力及刀具的擠壓促使土壤應力集中在刃口上部。

3.2.2 切削過程鏟刀受力分析

鏟刀以切削角切削土壤過程中所受土壤反作用力隨時間變化曲線，如圖6所示。鏟刀在0 s與土壤接觸后，開始受到土壤反作用力，約4.10 s時土壤瞬時反作用力達到最大值0.409 kN。通過數據分析，求解出切削過程受到土壤的平均反作用力約為0.223 kN。

圖5 土壤von mises stress分布情況

圖6 切削角45°時鏟刀所受力

同理，在其他條件不變的情況下，只改變鏟刀切削角度，分別求解鏟刀切削角度為30°、35°、40°、50°、55°、60°和65°時鏟刀所受土壤反作用力，整理結果見表2，相應折線圖如圖7所示。

由表2和圖7可知，當切削角度為65°時，鏟刀受到土壤最大瞬時反作用力值最小，且平均反作用力最小；當切削角度為30°時，鏟刀受到土壤最大瞬時反作用力值最大；當切削角度為30°時，鏟刀受到土壤平均反作用力值最大。根據上述虛擬仿真結果圖表，針對不同實際情況，可對鏟刀的初步設計提供理論依據。

表2 不同切削角度受力情況

圖7 不同切削角度受力情況

4 結束語

結合UG、ANSYS/LS-DYNA軟件，完成了鏟刀切削土壤的三維模型及有限元建模，并在ANSYS/LS-DYNA中定義了帶失效的土壤材料，構建了鏟刀與土壤相互作用的虛擬仿真模型。

利用該模型模擬分析了鏟刀切削土壤的動態過程，通過LS-PREPOST后處理器，得到了土壤被切削過程中的應力變化情況，以及鏟刀受到土壤反作用力隨時間的變化情況，并對不同鏟刀切削角度受反作用力進行對比，為初步確定鏟刀的結構參數及進一步優化提供了理論依據。

由于在現實中土質情況較為復雜，土壤中的樹木根系、碎石等都會對鏟刀切削產生影響，另外土壤條件也會隨著深度變化而變化，因此對于多物質耦合以及分層模擬的研究值得進一步探討。

【參 考 文 獻】

[1] Lemar Tree Spades[EB/OL].http：/ /www.lemarweb.com/site/.

[2] Dutchman Truck Spade[EB/OL].http：//dutchmasternurseriesltd.com/.

[3] 宋海兵，王春宏.樹木移植機下鏟過程土壤與鏟刀接觸受力分析[J].林業機械與木工設備，2013(2)：42-44.

[4] 張英彥，顧正平.直鏟式樹木移植機下鏟阻力的探討[J].北京林業大學學報，1988，10(2)：38-45.

[5] 周 明，張國忠，許綺川，等.土壤直角切削的有限元仿真[J].華中農業大學學報，2009，28(4)：491-494.

[6] 馬愛麗，廖慶喜，田波平，等.基于ANSYS/LS-DYNA的螺旋刀具土壤切削的數值模擬[J].華中農業大學學報，2009，28(2)：248-252.

[7] 楊桂通.土動力學[M].北京：中國建材工業出版社，2000.

[8] 尚小江.ANSYS LS-DYNA動力分析方法與工程實例(2版)[M].北京：中國水利水電出版社，2008.

[9] 李 濱，譚敏堯.平模楊型機壓輥的特性分析[J].森林工程，2013，29(3)：93-95.