基于LS—DYNA的深松鏟阻力仿真

李霞+張思遠(yuǎn)+王維新+湯明軍+郭金龍

摘要： 為降低耕作阻力，揭示深松鏟與土壤之間的關(guān)系特性，根據(jù)深松鏟切削土壤的工作特點(diǎn)，利用LS-DYNA模擬分析深松鏟切削土壤的過程，獲得切削土壤的應(yīng)力變化規(guī)律。結(jié)果表明，當(dāng)深松鏟以0.49 m/s的初速度切削、深松深度為250 mm時，單個深松鏟的最大切削阻力為2 230 N，土壤在1.75 s發(fā)生崩裂，達(dá)到深松效果。通過試驗(yàn)測試，單個深松鏟受力約為2 332.5 N，與仿真誤差為4.5%，驗(yàn)證了仿真的合理性，仿真數(shù)據(jù)結(jié)果可以為實(shí)際深松過程提供參考。

關(guān)鍵詞： 土壤；切削；有限元法；深松鏟；LS-DYNA模擬分析；阻力仿真

中圖分類號： S222.19 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）22-0257-03

深松鏟是深松的核心部件，通過深松可以改善土壤三相比，從而促進(jìn)植物的生長[1]。然而，深松過程中有特別大的阻力。因此，須要探明在深松土壤切削過程中阻力的變化規(guī)律，達(dá)到減少阻力的目的。

在以往關(guān)于土壤切削的研究中，主要采用試驗(yàn)方法，但試驗(yàn)具有受外界環(huán)境因素影響大且經(jīng)費(fèi)多、周期長等缺點(diǎn)[2]。近50年來，隨著數(shù)值分析模擬技術(shù)的發(fā)展，為研究土壤切削提供了一種新的方法。數(shù)學(xué)模擬切削土壤方法主要包括傳統(tǒng)分析方法、有限單元法（finite element method，簡稱FEM）、離散單元法（distinct element method，簡稱DEM）[3]。近年來，多利用有限元法研究土壤切削問題，通過模擬仿真，可以方便清楚地觀察到土壤和工作部件的情況，例如土壤的運(yùn)移狀況、破壞位置和工件部件各部分的受力狀態(tài)。這些模擬仿真數(shù)據(jù)為耕作部件的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

針對土壤非線性不均勻的特性，本研究采用動力分析方法探討深松鏟對土壤的切削過程，通過顯式非線性動力分析軟件ANSYS/LS_DYNA來進(jìn)行深松鏟切削土壤的數(shù)值模擬，建立深松鏟深松工作過程的有限元仿真模型，對深松過程進(jìn)行三維數(shù)值仿真研究。

1 有限元建模

1.1 土壤模型

ANSYS/LS-DYNA 12.1程序材料庫中193號材料（MAT_DRUCKER_PRAGER）模型是一種彈塑性本構(gòu)模型。由于這種材料本構(gòu)模型能準(zhǔn)確地體現(xiàn)土壤特性，簡單實(shí)用而且能夠得到準(zhǔn)確的結(jié)果，所以被廣泛地用于模擬巖土材料中，具體參數(shù)取值見表1[4]。Mohr-Coulomb屈服條件通常被使用在土壤切削仿真中，但其有不可忽略的缺點(diǎn)：它的屈服面在平面上表現(xiàn)為特殊的等邊六邊形（具有棱角奇異性的不等角），這大大增加了數(shù)值計(jì)算的困難。與Mohr-Coulomb屈服條件相比，Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則不僅計(jì)算簡單，而且在選擇恰當(dāng)材料常數(shù)的前提下，就可以尋找到與之匹配的Coulomb模型。基于以上比較，本研究采用改進(jìn)擴(kuò)展后的Drucker-Prager準(zhǔn)則[5]，即：

式中：C為偏應(yīng)力第3應(yīng)力不變量；I為單軸拉伸屈服應(yīng)力與單軸壓縮屈服應(yīng)力比值；F1為凝聚力；為材料摩擦角；F2為Mises等效應(yīng)力；F3為平均壓應(yīng)力；σ1、σ2、σ3為3個方向的主應(yīng)力；t為應(yīng)力。

選定土壤的實(shí)體模型為800×800×800的立方體，由于模型比較簡單，所以直接在ANSYS中生成。土壤選用solid164單元，這種單元常用于三維顯示結(jié)構(gòu)實(shí)體，由8個節(jié)點(diǎn)構(gòu)成而且支持所有許可的非線性特性，對土壤采用智能網(wǎng)格劃分，選擇土壤模型的12條邊，設(shè)置網(wǎng)格數(shù)為20，單元形狀采用六面體8個節(jié)點(diǎn)，劃分為9 261個節(jié)點(diǎn)，8 000個單元[6]。

1.2 深松鏟模型

ANSYS在構(gòu)建復(fù)雜實(shí)體模型方面比較薄弱，所以本研究利用SolidWorks構(gòu)建深松鏟模型并通過接口導(dǎo)入到ANSYS中[7]。深松鏟采用 65Mn材料，其密度為7.8×103 kg/m3，彈性模量為2.10萬MPa，泊松比為0.3。由于深松鏟是一個整體，所以采用計(jì)算精度較高的四面體單元solid45單元類型，采用智能自由網(wǎng)格劃分方法對深松鏟模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)定尺寸級別為5級，為減小應(yīng)力集中的影響，在深松鏟鏟刃部分進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，深松鏟劃分為12 724個節(jié)點(diǎn)， 19 046 個單元。在建立土壤-深松鏟數(shù)值模擬模型時，對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分后如圖1所示。

1.3 創(chuàng)建單元

為了給后面定義接觸類型和施加邊界條件作基準(zhǔn)，要先創(chuàng)建單元（簡稱PART）。PARTS是1個單元集合體，它是由相同單元類型、材料號和實(shí)常數(shù)組成的。若要生成PARTS，必須要求選擇所有實(shí)體。本案例生成的PARTS結(jié)果如圖2所示，其中1代表深松鏟模型，2代表土壤模型。網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量相當(dāng)是能夠計(jì)算的必要條件，從圖2可以看出，深松鏟模型和土壤模型網(wǎng)格數(shù)量相當(dāng)，這為后續(xù)計(jì)算提供了可能。

1.4 定義接觸

ANSYS/LS_DYNA12.1接觸類型多種多樣，而且與接觸類型對應(yīng)的還有許多可選擇接觸的分析方式，所以在描述深松的過程中，要選擇恰當(dāng)?shù)念愋秃蛥?shù)。深松過程是利用深松鏟來使堅(jiān)硬的土壤破碎，在計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)中，這種工作狀況就是土壤材料單元的失效。在破碎土壤后，土壤材料的外部單元常常無法與深松鏟接觸，為了避免這一情況的發(fā)生，將深松鏟與土壤之間的接觸類型定義為面與面接觸中的侵蝕接觸（eroding surface-to-surface contact，簡稱ESTS）。深松鏟與土壤之間靜摩擦系數(shù)為0.60，動摩擦系數(shù)為0.32。

1.5 施加邊界條件和載荷

由于實(shí)際土壤立方體材料尺寸足夠大，所以為保證土壤結(jié)構(gòu)在整個侵徹過程中不發(fā)生移動，定下表面為固定表面，施加全約束，土壤頂部為自由邊界，其他面均設(shè)想為無限大區(qū)域，采用無反射邊界約束[8]。為了節(jié)約計(jì)算時間，將土壤的左右側(cè)面也固定起來，為土壤前后端面施加無反射邊界條件。由于深松鏟采用的是剛體材料，只須施加在其質(zhì)心上。對深松施加Z方向的位移約束，限制深松鏟的左右晃動，并約束深松鏟3個方向的轉(zhuǎn)動自由度。endprint

2 結(jié)果與分析

2.1 求解

上述操作完成后，進(jìn)入求解分析階段。首先設(shè)置求解時間，若設(shè)置值較大，則會延長計(jì)算時間，而且一般物理過程的計(jì)算終止時間多為毫秒級，因此，設(shè)置求解時間為0.4 s，設(shè)置輸出步數(shù)為20步。設(shè)置完成后，選擇輸出文件類型，輸出關(guān)鍵字文件遞交給LS-DYNA求解，并通過后處理程序打開結(jié)果文件，進(jìn)行分析。

2.2 結(jié)果分析

載荷大小影響土壤狀態(tài)。隨著外力的變化，土壤會依次經(jīng)過線彈性—塑性—屈服—硬化這幾個狀態(tài)，在土壤硬化后繼續(xù)加載，則土壤開始失效，直至最終破裂[9]。圖3描述了深松深度為250 mm的土壤深松過程。在深松工作過程中，首先是深松鏟鏟尖接觸土壤，由于受到深松鏟鏟尖的擠壓和剪切作用，土壤發(fā)生變形和破壞。隨著深松工作的繼續(xù)，深松鏟前進(jìn)并且產(chǎn)生一定振動，此時深松鏟鏟柄也和土壤相互接觸，導(dǎo)致土壤被剪切擠壓的越發(fā)明顯，受到的力也顯著加大，被破壞的面積和進(jìn)給方向的深度也增加，后面還未與深松鏟接觸的土壤由于受到前面被深松鏟擠壓破壞后土壤的擠壓也逐漸開始變形，最終實(shí)現(xiàn)整個深松土壤的變形破壞，達(dá)到深松的目的[10]。觀察1個周期深松鏟對土壤的深松過程，整個過程結(jié)果輸出20步。在1.25 s時，深松鏟開始和土壤接觸，并以049 m/s的初始速度開始深松土壤，由于受到深松鏟的剪切力作用，土壤狀態(tài)開始發(fā)生改變；在1.5 s時，因受深松鏟的剪切力和擠壓力作用，土壤在沿深松鏟前刀面方向上發(fā)生變形失效，此時切削阻力最大，達(dá)到2 230 N。在1.75 s時，土壤發(fā)生崩裂。深松鏟繼續(xù)前進(jìn)，后面的土壤也被深松。由此可見，通過仿真模擬可以較為直觀地觀察出深松鏟深松工作過程中土壤的狀態(tài)變化。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

為驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，在新疆石河子市石河子大學(xué)教學(xué)試驗(yàn)場二連進(jìn)行了試驗(yàn)。在試驗(yàn)田內(nèi)選擇1塊地勢比較平坦的未耕作土地，并在試驗(yàn)前按照振動深松機(jī)組試驗(yàn)方案的要求對試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行規(guī)劃。確定長60 m（兩側(cè)各自留出 10 m 長的調(diào)整區(qū)，用于調(diào)整拖拉機(jī)的工作狀態(tài)）、寬50 m的區(qū)域?yàn)檎駝由钏蓹C(jī)樣機(jī)的試驗(yàn)場地，并在試驗(yàn)場地的兩側(cè)插上標(biāo)桿，保證拖拉機(jī)在規(guī)劃的區(qū)域內(nèi)行駛。試驗(yàn)設(shè)備主要有振動深松機(jī)樣機(jī)1臺，雷沃M800-D型拖拉機(jī)1臺，黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院研制的田間機(jī)械動力學(xué)參數(shù)遙測儀1套。

3.2 試驗(yàn)內(nèi)容

將振動深松機(jī)樣機(jī)與拖拉機(jī)3點(diǎn)懸掛連接，拖拉機(jī)的后置動力輸出軸通過萬向聯(lián)軸器與樣機(jī)的動力輸入軸相連。拖拉機(jī)以慢二擋前進(jìn)（秒表測得行駛40 m耗時82 s），當(dāng)拖拉機(jī)進(jìn)入測定區(qū)域時，記錄遙測儀數(shù)據(jù)，并且重復(fù)試驗(yàn)3次。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)拖拉機(jī)以慢二擋前進(jìn)（秒表測得行駛40 m耗時82 s）時，重復(fù)3次試驗(yàn)，采集的數(shù)據(jù)如圖4所示。

由圖4可見，在深松作業(yè)過程中，3次試驗(yàn)的平均阻力分別為9.35、9.74、8.9 kN，則試驗(yàn)深松機(jī)阻力平均值為9.33 kN；在試驗(yàn)過程中，深松機(jī)共有4鏟同時工作，且工況相同，所以單鏟的力約為F=9.33/4=2.33 kN，試驗(yàn)力與仿真得到的力的誤差為4.5%，因此利用仿真的方法來研究深松鏟的土壤切削是合理可行的，同時也驗(yàn)證了該切削模型的正確性。

4 結(jié)論

通過建立深松鏟-土壤的切削有限元模型，利用LS-DYNA進(jìn)行數(shù)值分析，結(jié)果顯示，當(dāng)深松鏟以0.56 m/s的初速度切削、深松深度250 mm時，單個深松鏟最大切削阻力為2 230 N，土壤在1.75 s開始發(fā)生崩裂，達(dá)到深松效果，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性。仿真結(jié)果為優(yōu)化深松鏟結(jié)構(gòu)、提高拖拉機(jī)功率的利用率提供了理論依據(jù)。

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