基于ABAQUS的馬鈴薯收獲機凸包鏟土板分析與優化

摘 要：馬鈴薯收獲機鏟土板工作過程中與土壤相互作用，會有大量土壤粘附到鏟土板表面，為了提高農機的減粘降阻效果，學者們應用了大量仿生設計，凸包型就是其中之一，文章通過abaqus對平板、凸包板與土壤相互作用過程進行了模擬，比較兩者在減粘降阻效果上的差異，分析原因后對凸包型鏟土板的凸包排列形式進行一定的設計優化。

關鍵詞：馬鈴薯獲機；鏟土板；減粘降阻；有限元模擬

農機中普遍含有一定量的觸土部件，農機工作過程的效率與觸土部件的減粘降阻效果有很大關系，應用仿生技術而設計的很多部件所具有的減粘降阻效果已經得到了實驗驗證，并且大量應用于實際生產。凸包型鏟土板是仿生設計的一種觸土部件的表面形式，凸包的數量、排列形式、分布形式均對減粘降阻的效果有一定的影響，針對這種類型的仿生設計有必要定量分析其與土壤的相互作用過程，以及其減粘降阻的成因，在一定程度上進行優化。

非光滑表面仿生設計形式多種多樣，凸包型、凹坑型、波紋型、鱗片型等等。其中凸包型非光滑表面由于結構形式比較簡單、生產加工較方便等特點應用最為廣泛，并且在建模分析、仿真模擬上也較易實現，所以文章就選擇這種形式的非光滑表面進行討論。

1 凸包型鏟土板-土壤接觸有限元模型的建立

對于馬鈴薯收獲機鏟土板-土壤接觸系統而言，其有限元模型主要包括土壤模型、鏟土板模型以及馬鈴薯收獲機鏟土板-土壤接觸模型。

1.1 凸包型鏟土板模型

如圖1所示為有限元分析中使用的馬鈴薯收獲機鏟土板幾何模型，文章所采用的幾何參數與某公司生產的土豆收獲機鏟土板相同。鏟土板單片長513mm（工作時共左右兩片），中心最大寬度為355mm，兩邊寬307.5mm，厚度為10mm；距離板后邊緣32mm、119mm處分別均勻分布著8個、4個螺栓孔（因不是分析的重點為了分析方便未畫出）；凸包為半徑16mm、高8mm的球冠共三行每行8個。鏟刀尖材料為65Mn鋼其余部分為Q235，其彈性模量為2.11×108kPa，泊松比為0.288。

1.2 土壤模型

在分析過程中土壤的本構關系選取以及參數的確定對分析結果有直接影響，土壤的本構關系一般呈非線性性質，它不僅取決于土壤的類別，而且與應力歷史、加載路線以及應力水平等有關[1]，很多學者提出了多種多樣的本構關系模型，ABAQUS強大的非線性仿真功能提供了多種土壤的本構關系模型如Drucker Prager、Mohr Coulomb Plasticity等，在計算過程中只要輸入相應的參數即可定義出相應的土壤材料屬性，分析比較過程中選取相同的參數就可以屏蔽掉土壤環境變化對構件減粘降阻效果的影響，即只考察構件表面結構改變對減粘降阻所起到的作用，文章采用了應用上較為廣泛的Drucker Prager。

根據所研究的實際情況，文章采用的土體材料參數為，彈性模量1250kPa，剪切模量為543.478kPa[2]，土壤泊松比0.15，切削工具一土壤摩擦角為24°[3-4]，并且不考慮切削速度對切削阻力的影響，ABAQUS中土壤參數按照圖2所示的對話框進行設置。將材料賦予到提前建立好的三維模型后如圖3所示。

1.3 凸包型鏟土板-土壤接觸模型

下面將接觸模型在軟件中的建立過程簡要介紹：

（1）鏟土板與土壤三維模型建立以后將鏟土板與土壤的參數在property模塊中輸入并賦予至兩三維模型中。

（2）在裝配模塊將兩者相對位置確定以后于interaction模塊下將兩者接觸情況設定好。

（3）在載荷模塊下設定邊界條件與載荷。

（4）在mesh模塊下將兩者按照一定的原則劃分網格。

經過以上步驟就建立了abaqus下的鏟土板有限與模型、土壤有限元模型以及兩者的相互作用模型。

鏟土板網格劃分上要將三排凸包單獨分區進行劃分，并采用四邊形為主的形式（Hex-dominated）形式，其他位置采用四邊形網格（Hex）形式，C3D8R型單元為105號至1289號，C3D6型單元為1號至751號，節點共2376個。劃分后的鏟土板網格如圖4所示。

土壤模型網格的劃分同樣采用分區劃分的方法，將與鏟土板相接處的位置采用以四邊形為主的形式（Hex-dominated），并且適當提高網格密度，其他位置采用四邊形網格（Hex），以保證計算精度，土壤模型信息可在inp文件中查看，C3D8R型單元為1號至9320號，C3D6型單元為6301號至9398號，節點共11046個。劃分好的土壤網格模型如圖5所示。

在鏟土板與土壤實際接觸位置接觸屬性設置為摩擦系數為0.445[3-4]的切向屬性。

邊界條件上，將土體下端完全固定，而為了計算結果便于收斂可以將鏟土板的作用過程設置為兩個分析步，在第一個分析步中施加一個較小的位移（0.01mm），在第二個分析步中施加一個較大位移（60mm）。

2 凸包型鏟土板與土壤三維有限元仿真

在考察金屬與土壤相互作用過程中減粘降阻效果的好壞上，一般都轉化為考察在構件作用方向上的土壤位移情況，以及土壤與金屬構件接觸面方向上的應力情況，在相同的土壤環境、相同的邊界條件下考察兩種不同深松部件減粘降阻效果，應力越小、土壤位移越大、表明這種構件的減粘降阻效果越好。非光滑表面形式很多，凸包型構件中凸包的大小、分布便決定了這種非光滑表面設計的減粘降阻效果，一般第一排凸包的形式最為重要，它是由平面向凸包面過度的突變點，在這個位置上阻力反而會驟然增大，有文獻表明可增大到16%左右[5]，為了改善這種情況文章不但對每排凸包的大小做了優化，還對整塊板所有的凸包分布做了改進，仿真結果表明效果十分明顯。

2.1 應力情況

由圖6可以看出，對于凸包板而言，凸包附近顏色由藍變綠，說明應力有較明顯的增大趨勢，同一排凸包形成了斷斷續續的應力增大帶，兩排凸包之間則構成了應力變化較小、平均應力較低的矩形區域，整個板應力情況呈現出有規律的波動，這說明凸包的存在改變了平板與土壤接觸時的均勻分布的形式，使接觸面積不斷變化，減小粘附。

此外也可以看出在鏟土板前緣刃口到第一排凸包之間平均應力較小，土壤滑過第一排凸包時的作用明顯大于后兩排凸包，說明均勻排布的凸包分布形式在土壤由平板區域過度到凸包陣列區域時阻力有上升趨勢，這可能是由于鏟土板表面形式突變較大引起的，需要進行改善，在這個點上可以采用由較小的凸包逐漸向較大的凸包過度的形式，減小突變量，進而減小土壤與凸包相互沖擊帶來的阻力。

2.2 土壤位移情況

凸包板相接觸的土體表面上的位移，由于凸包的存在，使其分布無論沿切向還是法向均是非均勻的。這樣，當土體沿凸包板表面運動時，使土體產生縱橫兩個方向扭曲和微振動，減少了界面層土壤的壓實現象。另外，由于這兩者的綜合作用，使土體中的毛細管中的自重水易于排出到界面上，造成潤滑效應，從而減少了粘附和摩擦。

3 凸包型鏟土板的優化

為了改善上述凸包板表面形式的不足之處，根據分析所得到的結果，特將凸包做如下優化：將第一排凸包變為半徑16mm，高4mm的球冠位置不變；將第二排凸包變為半徑16mm，高6mm的球冠，每個凸包位置調整到第一排與三排中部；第三凸包的位置以及大小不變，優化以后的鏟土板如圖7。

3.1 應力情況

由圖8可以看出，與未優化之前類似凸包附近有淺綠色的應力增大區域，但是范圍明顯減小，第一排凸包上的區域較之前的情況已經變得非常狹長，這說明凸包大小與陣列形式的改變對減小土壤的沖擊阻力起到了作用。

3.2 土壤位移情況

（1）在鏟土板運動方向上（U1，X軸方向上）不同位移量的分布區域大致相同，考察與鏟土板相接處區域的具體數據，也基本一致，可見，鏟土板表面形式的變化對其運動方向上的土壤位移影響不大。如圖9。

（2）在垂直地面方向上的土壤位移情況則有較大區別，不同位移量的分布區域均有不同程度的擴展，考察與鏟土板相接處區域具體的數據可以看到改進后的Y向位移增大近5%左右，說明改進后的表面形式提高了U2方向土壤的微振動，減小了土壤滑過表面形式突變處的沖擊阻力，進而改善了此方向的位移情況。如圖10。

（3）合位移方面，不同位移量的分布區域有所收縮，并伴有不同程度的位移量減小，在鏟土板后方最為明顯，而前方的分布情況變化不大，這說明改善應力情況是以減小鏟土板后方位移為代價的。如圖11。

4 結束語

（1）在土壤環境相同，邊界條件一致的情況下，優化后的凸包型土豆收獲機鏟土板較未優化的鏟土板在第一排凸包處的應力減小了12%左右，即有效的減小了由平面向凸包面過度時凸包與土壤的沖擊阻力。

（2）分析中可以看到土壤的變化情況在不同方向上不盡相同，

這主要與土壤的非線性有關，在鏟土板運動方向上土壤位移分布基本不變，垂直地面方向上有所改善，整體合位移上有所減小，整體看改進后的鏟土板在土壤位移方面似乎有些不盡人意，可見在采用過渡型凸包分布形式后小而密的凸包在土壤位移方面更趨近于無凸包的平面形式，但卻減小了沖擊阻力，綜合起來看改進后的鏟土板更有利于減粘降阻。

參考文獻

[1]郭志軍，等.推土鏟切削性能的二維有限元分析[J].拖拉機與農用運輸車，2006，33（6）：30-32.

[2]郭志軍.土壤深松部件高效節能仿生設計及有限元分析[D].長春：吉林大學，2002.

[3]GILL W R， VANDEN Berg G E. Soil Dynamics in Tillage and Traction. Agriculture Handbook， United States Department of Agriculture， 1967.

[4]SHEN J， KUSHWAHA R L. Soil-machine Interaction： A Finite Element Perspective [M].New York； Marcel Dekker，1998.

[5]王國林，任露泉，殷繼紅，等.凸包型推土板減粘降阻的有限元分析[J].吉林工業大學學報，1997（04）：81-86.