基于有限元法的波紋形仿生深松鏟仿真分析

邱兆美， 張海峰， 張 伏， 毛鵬軍， 馬延武

(河南科技大學農業裝備工程學院，河南洛陽 471003)

傳統耕地作業會使耕地形成堅硬的犁地層[1]，影響土壤的蓄水保墑能力，長時間耕種會造成水土流失、土壤退化、耕作層透水透氣性較差等現象，而深松耕作可以解決傳統耕地作業產生的遺留問題[2-10]。但深松鏟在深松作業時受到的阻力較大，如何減小深松鏟受到的阻力已成為一個待解決的問題。土壤動物具有良好的掘土功能，而蚯蚓是一種典型的土壤動物，有良好的掘土性能和對土塊的松碎性能，它所具有的降阻特性主要由其體表結構、體表柔性、體表潤滑等諸多因素共同決定[10-16]，仿生深松鏟采用蚯蚓的波紋形結構設計，其中深松鏟鏟尖波紋形結構如圖1所示。

1 深松鏟運動仿真分析

LS-DYNA程序是可以以顯式求解、非線性動力分析(如動力分析前的預應力計算)為主的通用結構分析非線性有限元程序，能夠求解各種材料非線性、接觸非線性、幾何非線性等問題。深松鏟以一定的速度侵入土壤時，土壤會產生彈性變形、塑性變形、失效等作用。在整個鏟體切削土壤過程中存在著嚴重的非線性問題，首先接觸面與接觸邊界在不斷變化，其次在接觸面上存在著摩擦和滑動，因此，深松鏟在土壤中的深松過程屬于非線性結構的沖擊動力學問題。為解決此問題，本研究在Hypermesh軟件中采用彈塑性本構關系模型作為土壤材料非線性有限元算法的計算模型。其中Hypermesh軟件可以支持很多不同的求解器輸入輸出格式，具有良好的求解器接口功能，利用Hypermesh軟件劃分好模型的有限元網格后，可以直接把計算模型轉化成不同的求解器文件格式，從而利用相應的求解器進行計算。Hypermesh軟件可以作為統一的計算機輔助工程(computer aided engineering，簡稱CAE)應用平臺，即統一利用Hypermsh軟件進行網格劃分，然后對不同的問題利用不同的求解器進行求解，進而方便地管理數據文件，大大提高分析效率。

采用Hypermesh軟件設置深松鏟的材料參數，并進行網格劃分、約束設置以及載荷和初速度的施加。

1.1 材料參數

深松鏟模型的材料定義為剛體，特性參數可以參照錳鋼，密度為7.83×103kg/m3，彈性模量為2.07×106MPa，泊松比為0.3；土壤材料參數可以采用MAT Soil模型，密度為 1.4×103kg/m3，剪切模量為3×107Pa，泊松比為0.36，分形系數為2.8，內摩擦角為30°，黏聚力為5×10-6Pa；深松鏟和土壤之間的接觸算法選擇面面算法，接觸的剛度系數設置為4.0。

1.2 建模與網格劃分

在SolidWorks軟件中構建深松鏟模型，按照幾何結構 1 ∶1 建模，土壤模型的尺寸為0.90 m×0.60 m×0.50 m。深松鏟和土壤在建模時均為對稱幾何體，因此在Hypermesh軟件中劃分網格時可以考慮對一半模型劃分網格，然后再利用對稱關系，對另一半模型進行網格劃分。

1.3 約束設置

深松鏟在深松土壤時，沿著x軸水平負方向運動，其中x軸與y軸、z軸垂直(x軸為深松鏟前進方向，前進方向為負；y軸為水平垂直x軸方向；z軸為為豎直方向，向上方向為正)。因此，須要約束深松鏟y軸、z軸的水平自由度和所有坐標軸的旋轉自由度，并且約束土壤的地面全自由度(土壤x軸和y軸的轉動自由度，側面z軸的平動自由度)。

1.4 施加載荷和初速度

在Hypermesh軟件中，設置深松鏟沿x軸方向運動的初速度、位移、時間，并生產以k為文件名的文件，導入到ANSYS/LS-DYNA中進行仿真運算。

2 深松鏟仿真結果與分析

在深松深度為300 mm，切削速度為1.25 m/s時，采用 LS-DYNA模擬深松鏟的耕作阻力隨時間變化的曲線。由圖2可以看出，當深松鏟鏟尖與土壤接觸時，開始切削土壤，深松鏟所受阻力從0開始增加。隨著時間的延長，深松鏟不斷地切削土壤，深松鏟與土壤的接觸面積逐漸增大，深松鏟受到的土壤阻力也不斷增大。

當深松鏟和土壤接觸時，接觸面積越大，深松鏟受土壤作用產生的載荷就越大。當土壤受到的應力載荷超過自身的彈性極限時，土壤的本構關系遭到破壞，不再是理想的彈性狀態，進入塑性狀態。隨著土壤進入到塑性狀態，其自身開始屈服，此時土壤未遭到完全破壞，可繼續承受載荷，當土壤出現硬化情況時，深松鏟所受阻力達到峰值；當土壤之間的凝聚力聚合鍵遭到破壞時，自身開始失效，土壤開始軟化，深松鏟受到的阻力開始減小。由此可知，在深松作業過程中，當深松鏟以恒定的速度前進時，土壤將會在彈性狀態、塑性狀態、硬化狀態、失效狀態之間不斷轉變，導致深松鏟受到的阻力在峰值和峰谷之間波動，但保持一定的穩定狀態。

通過仿真分析發現，深松鏟的耕作阻力在深松工作開始0.25 s后趨于穩定，利用0.25 s后的深松鏟工作阻力計算得到深松鏟受到的平均阻力。由圖3可知，當深松鏟的耕作深度為0.3 m，前進速度為 1.00、1.25、1.50 m/s時，仿生深松鏟所受的平均耕作阻力分別為4.28、4.40、4.50 kN，原深松鏟所受的平均耕作阻力分別為4.40、4.68、5.10 kN。

3 深松鏟靜應力分析

根據深松鏟的實際工作情況，在深松鏟的觸土表面施加5 kN載荷，運用ANSYS軟件對深松鏟進行靜應力分析。

3.1 深松鏟材料特性

針對普通的工作情況，將深松鏟材料定義為剛體，其特性參數設置參照65 Mn錳鋼，密度為7.83×103kg/m3，楊氏模量為2.06×105MPa，屈服強度≥430 MPa，抗拉強度≥735 MPa，泊松比為0.3。對深松鏟采用自由網格劃分方法進行網格劃分，并對深松鏟的入土表面施加面載荷。

3.2 有限元結果分析

經ANSYS有限元分析計算，深松鏟的最大應變集中在鏟尖的頭部，原深松鏟的分析結果如圖4所示，最大等效應力為172.58 MPa，最大總應變量為0.790 12 mm；仿生深松鏟的分析結果如圖5所示，最大等效應力為116.75 MPa，最大總應變量為0.560 22 mm。

通過分析仿真結果，深松鏟的最大應力值小于65 Mn鋼的屈服極限(430 MPa)，符合材料的特性要求，且仿生深松鏟的最大應力和最大總應變量比原深松鏟小。與原深松鏟相比，在受到相同的沖擊載荷時，仿生深松鏟的工作性能更可靠，理論使用壽命較長。

4 結論

通過對深松鏟的運動仿真分析和靜態仿真分析發現，與原深松鏟相比，經過改進的波紋形仿生深松鏟受到的阻力較小，且最大等效應力和最大總應變量均較小，使得深松鏟的理論使用壽命得到提高，在一定程度上可提高深松鏟在面對土壤惡劣環境時工作的可靠性。由于實際工作環境的復雜性，后續將對仿生深松鏟進行土槽試驗，驗證仿真分析結果的正確性及仿生深松鏟的減阻性能。

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