基于離散元法的果園開溝刀具的仿真與試驗研究

鄭延莉，陳 建，王 攀，王炎林，方晶晶，羅澤涌，胡陳君，王 卓，牛 坡

(1.西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400716；2.四川省農(nóng)業(yè)機械研究設(shè)計院，成都 610066)

0 引言

2016年，我國丘陵山區(qū)比例超過60%的南方省份的果園種植面積占全國果園種植總面積的49%左右[1]。該地區(qū)果園開溝施肥這一重要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)目前基本依靠人工完成，因而勞動強度大且作業(yè)效率不高，嚴重地影響了水果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

針對這一問題，筆者自主研制了一款適宜于丘陵山區(qū)果園的立式單軸開溝施肥機。刀具由若干刀片組成，因而刀片數(shù)對開溝機的功耗和開溝質(zhì)量具有很大的影響。此外，確定刀片在作業(yè)過程中受力最大的部位并采取合理的措施，以提高刀片的使用性能，也是非常必要的。

采用傳統(tǒng)的田間試驗方法對上述問題進行研究容易受到機具、環(huán)境等諸多因素的影響,相關(guān)研究已運用有限元法(FEM)、離散元法(DEM)等數(shù)值模擬方法。研究表明：土壤是散粒狀易破碎的非連續(xù)介質(zhì)，與有限元相比離散元技術(shù)模擬土壤和機械的作用十分有效[2-4]。離散元法是由Cundall于1971年首次提出并應(yīng)用于巖土力學(xué)的研究，其通過建立固體顆粒體系的參數(shù)化模型，根據(jù)單元之間的相互作用和牛頓第二定律，采用動態(tài)松弛法或者靜態(tài)松弛法等迭代方法進行循環(huán)迭代對每個單元進行求解[5-11]。EDEM離散元分析軟件能建立土壤-刀具仿真模型并按照設(shè)置的仿真參數(shù)對刀具切削土壤的過程進行模擬仿真，計算刀具和土壤之間的相互作用情況[12-14]。……