振動深松鏟土壤切削有限元模擬分析—基于ANSYS/LS_DYNA

劉曉紅，邱立春

(1.沈陽農業大學 工程學院，沈陽 110161；2. 青島農業大學 機電工程學院，山東 青島 266109)

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振動深松鏟土壤切削有限元模擬分析
—基于ANSYS/LS_DYNA

劉曉紅1,2，邱立春1

(1.沈陽農業大學 工程學院，沈陽 110161；2. 青島農業大學 機電工程學院，山東 青島 266109)

為了分析振動式深松機在耕作過程中深松鏟與土壤之間的相互作用關系，首先研究了國內外采用有限元分析方法研究土壤切削問題的工作進展情況。為揭示振動深松減阻本質，借助ANSYS/LS-DYNA971軟件，構建了深松鏟和土壤的有限元仿真模型，并選用MAT_FHWA_SOIL和線彈材料分別作為土壤和深松鏟的材料模型。將UG中的運動仿真數據作為深松鏟載荷數據，通過Excel文件導入，對深松鏟切削土壤的工作工程進行模擬，得出了深松鏟切削土壤過程功耗的變化和深松鏟在工作過程的等效應力(von Mises stress)情況，為深松鏟結構參數的優化提供了依據。

有限元模擬；土壤切削；振動式深松機；ANSYS/LS_DYNA

0 引言

近年來，國內和國際上有關有限元仿真模擬在討論土壤切削的研究熱點上得到了更為廣泛的應用和深入發展，主要的研究熱點從是否考慮土壤動態角度分為土壤準靜態切削研究和考慮動態因素對土壤切削影響兩方面。二者互為補充，促進共同發展。

1985年，Xie X 和Zhang D[8]使用三維非線性有限元展開對土壤切削過程的仿真模擬，仿真過程中考慮了動態因素對切削性能的影響。1993年，Kushwaha[1]采用了三維非線性有限元軟件對土壤切削問題進行了研究，仿真過程中針對粘土土壤，并考慮了耕作部件形狀對切削性能的影響，所選用的耕作部件包含矩形、三角形和曲線形狀，并做了對比試驗。試驗結果表明：曲線形狀的耕作部件可以得到相對更佳的耕作效果。1995年，Kushwaha和Shen J[9]在有限元仿真分析過程引用Newmark自增迭代積分的概念，考慮了高速運行的耕作部件在粘土中的動態響應以及部件材料和幾何非線性。同年，Araya K和Gao R[2]研制了帶高壓空氣射流的深耕鏟，在土槽試驗臺中進行了試驗研究，同時使用三維有限元軟件模擬了土壤切削過程，二者數據吻合較好。Abdul 和Miklos在研究土壤切削問題中選用了非線性三維有限元軟件，模擬分析過程中，土壤材料選用Drucker-Prager非線性彈塑性模型，并考慮增量積分、深松鏟選用組合式，以及不同寬度和角度的刀柄與刀頭組合方式對切削性能的影響。1999年，Rosa U A[10]對窄齒形狀的耕作機具切削土壤過程進行了有限元模擬仿真，在仿真過程中逐一考慮了材料屬性的粘性和慣性因素對土壤切削性能的影響，根據試驗能耗分析得出預測土壤切削過程的動力需求方程。同年，Fielke J M[3]在土壤切削研究中考慮了耕作部件刃口的幾何形狀對切削性能的影響，研究中使用二維有限元模擬仿真耕作過程，結果表明：仿真過程中的牽引力以及耕作部件周邊土壤破碎情況均與試驗結果吻合。2002年，郭志軍等[4]在研究土壤切削問題中使用二維有限元分析軟件，耕作部件設定為拋物面和直線面、部件的本構關系假設為理想的彈塑性，仿真結果可以得出拋物線型耕作部件對土壤的切削性能明顯優于直線型耕作部件。2003年，Abo-Elnor M[5]等人對沙土的動態土體切削問題進行了深入研究，并利用ABAQUS有限元分析軟件對整個切削過程進行了仿真模擬；模擬過程中在土壤中預定義了失效面，從而得出土壤失效裂紋，并進一步研究了不同的切削速度和切削角度下裂紋變化情況。2005年，Karmaker等人[6]使用流體動力學軟件CFX來研究土壤切削問題，設定土壤描述為Bingham粘塑性材料用以進一步模擬刀具附近土壤流動的情況。Kushwaha和Zhang Z X[7]在研究土壤切削的問題采用有限元仿真分析方法，并得出了影響土壤切削性能的主要因素包含土壤的初始狀態、土壤切削部件的形狀及其運動情況。2007年，丁峻宏等[11]分別采用ALE方法和SPH方法研究了耕作部件對土壤的切削性能，仿真結果與實驗數據基本吻合。

由于土壤質地和結構的復雜性，應用有限元分析土壤耕作切削問題時，要建立土壤應力-應變本構關系模型；在研究土壤高速切削問題時，還應考慮土壤變形失效和土壤-耕作部件動態接觸等因素的影響，通過建立耕作部件-土壤力學優化模型，優化耕作部件構型，為高效節能型土壤耕作部件性能分析和結構設計提供理論指導[12-17]。

1 深松機原理簡介

本試驗所用的振動式深松機，主要由支架、機架、偏心軸、軸掛接器、連桿、開溝器、深松鏟及限深輪等組成，如圖1所示。深松鏟振動動力由土槽實驗臺車后側變頻電機動力輸出軸通過萬向傳動軸經偏心軸一端十字花鍵輸入，偏心軸另一端將做往復圓周運動，再通過軸掛接器及鉸接在機架上的連桿帶動深松鏟產生垂直方向的振動，從而實現對土壤的深松作業[4-7]。振動式深松機的三維模型是在UG中建立的，深松鏟的運動軌跡可以在UG中作運動仿真得到，將其存入Excel文件，用以對深松鏟仿真過程的載荷添加。

1.限深輪 2.深松鏟 3.偏心輪 4.機架 5.開溝器 6.支架

2 有限元模型

2.1 模型建立及材料定義

圖2為土壤和深松鏟的三維實體建模。其中，深松鏟模型由UG對深松鏟鏟頭和鏟柄分別建模及裝配，并在ANSYS環境中通過前處理軟件UG專用接口導入(安裝必要的組件)；而土壤模型相對簡單，直接在LS-DYNA環境下對其進行實體建模。

ANSYS/LS-DYNA要求所選用的單位制一定要封閉，否則得不到正確的分析數據，本文中所有模型和計算均采用kg-m-s-N單位制。在網絡劃分前要進行相關單元屬性和材料設置。首先添加1個SOLID164實體單元，用于三維的顯示結構實體單元，8個節點六面體單元，并設置其屬性為一點Lagrangian積分加上粘性沙漏控制。有限元顯示動力分析過程最耗費CPU的一項作業就是單元的計算，這是因為積分點的數目龐大且其數目與所用CPU時間基本成正比，本文仿真過程中采用簡化積分，可大大節省CPU時間，但與此同時可能帶來的后果就是出現零能模式(沙漏模態)。沙漏變形可以通過結構體積粘性來組織，參數設置為1.5和0.06。其次，完成材料定義。深松鏟的鏟柄和鏟頭材料均為金屬，由于其所有方向的材料特性相同的特點，仿真中選用線彈性材料，設置輸入參數分別為密度7 860kg/m3，泊松比0.288，彈性模量209GPa。土壤參數較為復雜，在LS-DYNA中不能完成設置，需要修改K文件，因此仍將其設為線彈性材料，參數設置同上。

圖2 土壤和深松鏟的三維實體建模

仿真過程中土壤材料的選擇至關重要，本文在ANSYS材料指定中將土壤材料和深松鏟材料設置成相同即可，K文件修改為MAT_FHWA_SOIL材料。在數值模擬中土壤材料具體的參數設置及取值在UE軟件中修改如圖3所示。

圖3 有限元仿真材料定義

2.2 模型的網絡劃分

分別完成土壤和深松鏟網絡劃分，土壤模型比較規范，采用手動劃分；深松鏟采用智能網絡劃分。其中，兩個組件，深松鏟組件由42 808個單元組成，土壤由22 500個單元組成，網絡劃分后的有限元模型如圖4所示。

圖4 土壤和深松鏟的網絡劃分

2.3 模型的載荷加載

施加載荷之前，首先要進行參數定義。定義載荷曲線的縱坐標Y和橫坐標X均為2000×1的數組，由于本文中所涉及的載荷數據量龐大，不適合通過數組方式輸入。在UG仿真過程中的仿真數據存儲成為Excel文件并轉為txt文件，此處通過數據調用獲得載荷數組。施加載荷后，深松鏟可以在X、Y方向運動，Z方向位移約束為零。同時，在土壤底部施加全約束，即固定不動，施加載荷和約束后的有限元模型如圖5所示，所施加的載荷波形如圖6所示(機具前進速度為0.5m/s，振動頻率為12Hz，振動幅值為10mm，載荷為水平方向位移載荷和垂直方向位移載荷)。文中用一個有限域來表示廣闊的地面，需要在模型外部使用非反射邊界限制模型的整體尺寸。在土壤的3個側面施加非反射邊界用以防止在邊界產生的人工應力波反射重新進入模型從而影響仿真結果。

圖5 土壤和深松鏟施加約束和載荷后的有限元模型

(a) 水平載荷 (b) 垂直載荷

2.4 模型的K文件修改

在ANSYS前處理器對導入的三維模型進行材料設置、網絡劃分、載荷加載和邊界條件設定后，還要對相關參數進行設置，以便在LS-DYNA后處理器中分析仿真結果。這期間的大部分參數設置都需要通過修改K文件來完成，這是由于K文件是連接ANSYS前處理器和LS-DYNA后處理器的關鍵文件。本文使用UltraEdit軟件對K文件進行了相應的修改。

K文件修改包含兩大部分，固定數值和需要根據實際仿真情況和后續分析需求要適時調整的參數。刪除有限元仿真模型指定的土壤材料及其參數，設定材料關鍵字為*MAT_FHWA_SOIL，并根據材料的參數說明結合土壤測定實驗設置其屬性值，各屬性值之間用“，”或空格分割。以上數值為固定參數，設置后基本不需要修改。*CONTACT_ERODING_SURFACE_ TO_SUR_FACE關鍵字是控制部件之間面面接觸的侵蝕算法因子，修改為0.1，并添加*CONTROL _CONTACT關鍵字，用于接觸剛度。二者值的大小可根據仿真結果適當修改，直到得到滿意結果。修改*CONTROL_TIMESTEP關鍵字，用以控制輸出時間步數。這部分數據為可調整數據，根據仿真結果做適當調整。此外，網絡劃分也直接影響仿真結果，如劃分過細導致計算量過大可能導致仿真不能完成或時間過長。

3 切削過程仿真與結果分析

建立好深松鏟土壤切削有限元模型(即完成單元、材料性質以及實體建模和網絡劃分)，完成接觸界面定義、約束、載荷和初始條件設置后，設置好求解控制參數，得到LS-DYNA輸入文件Jobname.K，將其提交給LS-DYNA Solver求解，最后在LS-PrePost -4.0-X64中查看仿真結果。本文仿真時間步數較多，得到75個d3plot文件，導入就可以分別觀察到深松鏟切削土壤過程中的應力分布、能耗曲線及質點的運動形態等，這些可以通過圖形、表格以及動畫形式展現出來。

在仿真分析過程中，土壤底部固定不動，四周非反射約束，深松鏟根據不同的工作加載載荷約束，非振動狀態下僅僅加載水平載荷，振動狀態下加載水平和垂直載荷。深松鏟前進過程中在0.12s與土壤接觸，兩者接觸后，深松鏟鏟尖開始切削土壤；0.18s之后深松鏟完全沒入土壤，整個切削過程組圖如圖7所示。本文主要分析在特定工況下深松鏟切削土壤過程，試驗數據與仿真數據對比，適當調整參數設置，為振動式深松鏟減阻機理研究提供可靠的仿真模型。

(a) 0.129s (b) 0.439s

(c)0.874s (d) 1.235s

圖8為振動深松過程深松鏟能耗曲線(Part Kinetic Energy部件動能損耗，單位為kW，部件為深松鏟)與試驗數據(機具前進速度0.5m/s、振動頻率12Hz、振動幅值10mm時，功耗2.82kW)[18-21]對比，平均功耗2.64kW略小于試驗數據。為了進一步驗證仿真數據的可信度，分別更改加載數據使得機具前進速度分別為0.2、0.8、1.1、1.3、1.5、1.78m/s時的仿真分析。仿真數據與試驗數據比較分析，如圖9所示。

圖8 振動深松過程深松鏟能耗曲線

圖9 振動深松過程試驗與仿真數據對比

由圖9中可見：試驗和仿真數據變化趨勢一致，隨著機具前進速度的增加，二者誤差略有增加；在整個速度范圍內試驗切削功耗和仿真模擬計算功耗的相對誤差在11%以內，因仿真過程中土壤和深松鏟材料是在一定假設條件下建立的，其結果可信。

圖10所示為振動深松機具在切削土壤過程中某些時刻VonMisesstress的分布。由圖10可知：Mises等效應力在深松鏟的各部分隨時間變化而變化。這主要是因為深松鏟剛剛接觸土壤并逐步切入過程中：深松鏟剛開始接觸土壤時，引力集中與鏟尖；當鏟柄開始接觸土壤時，鏟柄與鏟尖連接處成為應力集中區域，隨著與土壤接觸面變化而增加，并呈現不動形態，最大應力小于非振動深松過程。與之相對應的土壤應力也成波動向機具前進方向放射，這一現象有利于土壤松散和破碎，降低機具功耗。

(a) 0.295s (b) 0.595s

(c) 0.629s (d) 0.675s

(e) 0.83s (f) 0.995s

4 結論

1)土壤采用MAT147的本構模型，深松鏟采用線彈性材料，網絡劃分為手動和自動相結合。仿真過程順利，結果可信。

2)仿真過程中，深松鏟剛剛接觸土壤并逐步切入過程中：深松鏟剛開始接觸土壤時，引力集中與鏟尖，當鏟柄開始接觸土壤時，鏟柄與鏟尖連接處成為應力集中區域，隨著與土壤接觸面變化而增加，并有較大的Mises等效應力值集中，因此在實際切削時可以考慮材料和性質的優化。

3)土壤振動切削過程中，應力成波動向機具前進方向放射，這一現象有利于土壤松散和破碎，降低機具功耗。

4)ANSYS/LS-DYNA軟件可以很好地模擬振動深松鏟切削土壤過程中的機具功耗及受力情況，為深松鏟結構參數的優化提供依據。

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Finite Element Simulation and Analysis of Aoil Cutting Based on ANSYS/LS_DYNA Software with an Oscillating Subsoiler

Liu Xiaohong1,2, Qiu Lichun1

(1.Shenyang Agricultural University, College of Engineering, Shenyang 110161,China; 2. Qingdao Agricultural University, Mechanical and Electrical Engineering College, Qingdao 266109,China)

In order to analyze of soil cutting with an oscillating subsoiler in farming process, this paper analyzed the current situation and development trend of the finite element analysis method of soil cutting problem of work in progress at first. And then, the finite element simulation model of deep loosening shovel and soil was constructed with ANSYS/LS-DYNA971 software for revealing the nature of reducing the resistant.The material model of the soil and the deep loosening shovel was selected by the MAT_FHWA_SOIL and the linear elastic material. The motion simulation data of UG software was used in this paper as the load data of the deep loosening shovel which imported as the excel file. The working engineering of deep loosening soil was simulated, and the variation of soil process power and the equivalent stress (Mises stress von) in the process of working process were obtained. And it could be as the basis for optimizing the structure parameters of the deep loosening shovel.

finite element simulation; soil cutting； oscillating subsoiler; ANSYS/LS_DYNA

2015-11-23

國家自然科學基金項目(51175354)

劉曉紅(1980-)，女，山東青島人，博士研究生，(E-mail)lxh964@126.com。

邱立春(1957-)，男，沈陽人，教授，博士生導師，(E-mail)qlccn@126.com。

S222.3

A

1003-188X(2017)01-0019-06