深松鏟減阻性及耕作阻力影響因素研究—基于LS-DYNA

周 健，紀冬冬，李立君

(中南林業科技大學 機電工程學院，長沙 410004)

0 引言

目前，我國農業生產耕作中松土的方式主要有翻耕和深松兩種。翻耕作業時會使土壤遭受耕作機具的擠壓以及車輪的碾壓，使其底部形成了堅硬的犁底層[1-2]。由于犁底層的存在，將土壤分割為兩層，嚴重影響了農作物根須的生長與延伸，不利于營養物質的吸收與利用；同時，也影響了土壤中CO2、SO2、H2S、CH4等有害氣體的交換與排放，使固氮及硝化減少，阻礙了微生物的活動，從而影響作物的生長，導致糧食產量下降[3]。由于翻耕作業對土壤的動土量比較大，使大量土壤顆粒裸露在地表從而造成風蝕現象，嚴重時形成沙塵暴。由于傳統翻耕作業存在著諸多弊端，不利于農業的可持續發展，因此保護性耕作被提出，而深松技術是保護性耕作的重要支撐，可有效保證土壤表層不受破壞，遏制水土流失及荒漠化現象的發生[4]。深松鏟作為深松機耕作的直接載體，其耕作阻力的大小直接決定了松土的效率及能耗，因此研究深松鏟的減阻性具有重要意義。

近年來，國內外學者逐漸開始研究耕作部件的減阻性能：Gill等[5]對比了直線型和彎曲型耕作部件的工作阻力，結果表明直線型耕作時所受阻力要低7%～20%；陳坤[6]等設計了一種新型圓弧型深松鏟，并進行了田間試驗，結果表明該深松鏟能有效改善松土效果、減少耕作阻力；王雪艷等[7]設計了一種自激振動的深松機，并與普通的深松機進行對比，結果表明自激振動的深松機可減少12.79%的阻力；郭志軍等[8]通過研究分析家鼠前爪中指的挖掘特性，設計了彎曲型仿生深松鏟，結果顯示其具有較好的減阻效果；楊程光等[9]分析了深松耕作阻力的影響因素，結果表明選擇合適的鏟距可有效減小深松作用阻力。查閱文獻發現，很少有研究者對不同觸土曲面深松鏟的減阻性能及土壤切削應力的分布進行研究，也很少涉及分析仿生變曲率的入土角對耕作阻力的影響。因此，本文通過對5種典型觸土曲面方程進行研究，設計了5種不同結構的深松鏟。同時，利用ANSYS/LS-DYNA軟件對深松鏟切削土壤過程進行模擬仿真，得出不同結構深松鏟在切削土壤過程中的阻力變化以及土壤應力變化情況，對比分析得出減阻性能較好的深松鏟結構；并對入土角、工作速度、工作深度等耕作阻力影響因素進行單因素試驗，分析上述因素對深松鏟松土阻力的影響，以期為降低作業功耗，減小深松耕作阻力提供一定的依據。

1 土壤模型

本文以農業耕作的土壤作為研究對象，由于土壤的成分和結構復雜，目前還沒有一種理想的土壤模型來描述土壤遭受外力后的變化情況，根據土壤應力與應變的關系，土壤本構關系模型可大致分為4類:土壤線彈性模型、土壤彈塑性模型、土壤非線彈性模型和土壤流變模型。深松鏟切削土壤屬于侵徹問題，選擇合適的土壤本構模型對仿真的可靠性至關重要。由于土壤不是理想的彈性或塑性材料，而是一種彈塑性材料，在受到外界載荷后，會使材料出現硬化和軟化現象，應力與應變具有明顯的非線性特征，因此本文將土壤視為彈塑性材料，該模型最能反映土壤遭受載荷后實際變形的情況[10-11]。

1999年，美國聯邦公路局開始研究土壤材料在有限元分析中的模型，并在2000年完成了土壤本構模型的建立，2001年對土壤本構模型進行了初步的驗證，2002年土壤本構模型正式成為LS-DYNA一種標準材料模型[12]。本文參考文獻[13]，選用LS-DYNA材料庫里面的MAT147 (MAT_FHWA_SOIL) 材料作為土壤仿真的本構模型，該模型采用修正的Drucker-Prager屈服準則，因為該屈服準則綜合考慮了材料塑性硬化、塑性軟化、應變速率效應和空隙水壓力效應，使得仿真結果更接近實際情況。屈服準則的計算公式為[14]

其中，F為模型屈服表面力(N)；p為壓力(Pa)；β為內摩擦角(°)；J2為應力偏張量的第二不變量；K(θ)為張量平面角函數；c為粘聚力(N)；α為修正后屈服面和標準 Mohr-Coulomb 曲面相似度。

結合本地土壤的實際情況，并參考Soil Material Model 147[15]，將仿真的土壤參數進行設置為(見表1)，采用kg-m-s-N-Pa單位制。

表1 土壤材料參數

2 深松鏟結構設計

根據5種典型準線的方程，并結合深松鏟和深松鏟柄的行業標準(JB/9788-1999)，設計了5種不同結構的深松鏟，利用SolidWorks三維軟件完成對深松鏟模型的繪制，如圖1所示。上述5種模型具有相同的入土角、縱深比，整個深松鏟高600mm、厚30mm。本深松鏟材料選用20Cr，淬火后再低溫回火，表面為高碳的回火馬氏體耐磨，心部為低碳的回火馬氏體耐沖擊。

(a) 直線型 (b) 圓弧線型 (c) 擺線型

(d) 拋物線型 (e) 仿生變曲率線型

3 LS-DYNA仿真深松鏟切削土壤

1) 網格劃分：主要分析深松鏟切削土壤阻力及土壤的應力分布情況，為了簡化計算，將深松鏟視為剛體，材料的本構模型采用MAT_RIGID，設置材料的彈性模量為2.07×105MPa，密度為7 830kg/m3，泊松比為0.254。為了縮短仿真計算時間，將土壤大小設置為700mm×400mm×400mm。由于模型具有對稱性，因此選取模型的1/2作為分析研究對象，土壤材料模型選擇MAT_FHWA_SOIL。由于該材料在Workbench材料庫里面不能定義，需后續修改K文件來添加該材料模型[16]。因為深松鏟和土壤模型結構較為簡單，因此采用六面體網格進行劃分，采用掃掠方法對深松鏟進行網格劃分，土壤采用映射方法進行網格劃分，整個有限元模型劃分的節點數共為299 145，單元數為281 288。圖2為直線型深松鏟切削土壤的有限元模型。

2) 定義接觸：在深松鏟切削土壤之前，其與土壤之間不能相互接觸，同時兩者之間的距離不易過大[17]，為了盡量節約計算空余時間，將深松鏟與土壤的初始距離定義為10mm。由于在仿真過程中深松鏟會穿透土壤，因此定義兩者之間為面面接觸，添加關鍵字*ERODING_SURFACE_TO_ SURFACE，將深松鏟定義為接觸部件，土壤定義為目標部件。

圖2 直線型深松鏟切削土壤的有限元模型

3) 初始條件：由于深松鏟水平切削土壤，因此將其速度設定為1.666 7m/s (6km/h)進行仿真研究，土壤固定不動。

4) 邊界條件：深松鏟沿X水平方向切削土壤，故該自由度不約束，其余自由度均完全約束。由于在實際工作過程中，土壤是無邊界的，為了防止深松鏟與邊界約束之間的土壤在切削過程中受到過分擠壓而導致應力陡增，對土壤上頂面及周邊施加無反射邊界條件，同時對土壤底部施加全約束以固定，對稱面在Z方向施加約束，深松鏟與土壤接觸的面不約束。

4 深松鏟切削土壤仿真結果分析

4.1 切削阻力分析

圖3為在切削速度為1.666 7m/s (6km/h)時直線型深松鏟受到的阻力。由圖3可知：深松鏟在整個仿真切削過程中阻力波動較大，不利于結果分析，因此需對阻力圖進行數字濾波，LS-DYNA的后處理軟件中自帶了4種濾波器，分別為SAE濾波、BW濾波、FIR100濾波和COS濾波[18]。本文選擇常用的COS濾波，采用2點均值作為最終數據，截止頻率設置為20Hz，得到濾波后的阻力如圖4所示。將濾波后的信號與原始信號進行對比，發現信號經過COS濾波后能有效地消除信號中的噪聲，且信號能較好地保持原始信號的基本特征。在0.006s內深松鏟的阻力為0N，因為此過程深松鏟逐漸靠近土壤模型，未產生切削作用；在0.006～0.125s內，深松鏟的阻力逐漸增大，此過程為深松鏟開始切削土壤到穩定切削；在0.125～0.30s內，深松鏟的阻力基本不變，一直處于穩定切削過程，一半深松鏟所受阻力為702N。

為了對比分析5種不同結構的深松鏟在切削土壤過程中的阻力變化情況，對上述5種深松鏟進行了LS-DYNA仿真，其穩定切削過程中的阻力對比如圖5所示。由圖5可知：圓弧型深松鏟的阻力最大，為825N，而阻力最小的為仿生變曲率型深松鏟，其阻力為601N，直線型、擺線型和拋物線型深松鏟的阻力分別為702、712、692N。因此，仿生變曲率型深松鏟在切削土壤過程中減阻性能最好。

圖3 直線深松鏟切削土壤時所受阻力

圖4 數字濾波后直線深松鏟切削土壤時所受阻

圖5 5種深松鏟受到的阻力

4.2 土壤等效應力分析

為了分析深松鏟不同觸土曲面對土壤擾動的影響，研究了在切削速度為 1.666 7m/s時，土壤在被穩定切削過程中(第2s)的應力分布情況。圖6為5種不同類型深松鏟切削土壤過程中的應力分布。由圖6可知：深松鏟在切削土壤過程中，應力分布主要出現在深松鏟的觸土曲面，直線型、圓弧型、擺線型、拋物線型和仿生變曲率型深松鏟的最大應力分別為2.32、2.40、3.80、2.11、2.93MPa。直線型、圓弧型和拋物線型深松鏟的鏟尖均存在較大的應力分布，而鏟尖相對而言較為脆弱，若長時間處于高應力下，容易導致其變形，從而使整個深松鏟報廢；擺線型深松鏟雖然鏟尖的應力較小，但深松鏟的下端應力較大；仿生變曲率型深松鏟的高應力區主要集中在上部，下端應力分布較小。

(a) 直線型 (b) 圓弧線型 (c) 擺線型

(d) 拋物線型 (e) 仿生變曲率型

5 不同工作參數對深松鏟耕作阻力的影響

5.1 入土角對耕作阻力的影響

入土角的大小對深松鏟阻力具有重要影響，選擇合適的入土角可以明顯改善深松鏟的受力情況。從現有研究和實際情況來看，入土角一般選擇20°～40°，入土角太大或太小不利于深松鏟的使用[19]，因此本文選擇20°、24°、28°、32°、36°作為入土角的5個試驗水平。仿生變曲率深松鏟在5種不同入土角下受到的阻力如圖7所示，其工作深度為 280mm，速度為1.666 7m/s (6km/h)。由圖7可知：入土角為24°時，深松鏟切削土壤時所受阻力最小，為601N；入土角為20°時，深松鏟阻力為 630N；當入土角大于24°時，深松鏟的阻力隨入土角的增大而增大。因此，當入土角為24°時，深松鏟具有較好的減阻性能。

圖7 不同入土角對深松鏟阻力的影響

5.2 工作速度對耕作阻力的影響

為了研究在不同的工作速度下深松鏟受到土壤阻力情況，對工作速度進行單因素試驗仿真。根據深松鏟實際工作的要求[20]，將工作速度設置為4、5、6、7、8km/h等5個試驗水平，其工作深度為280mm，入土角為24°。圖8為不同工作速度對深松鏟耕作阻力的影響。由圖8可知：深松鏟切削土壤時，其阻力隨工作速度的增加而增大，工作速度為4km/h時，其阻力最小，為530N；工作速度為8km/h時，其阻力最大，為689N。工作速度快，雖然能提高深松鏟的工作效率但同時也會使工作阻力增大，增加能耗，因此在實際工作工程中，應根據具體的工作要求來選擇合適的工作速度。

圖8 不同工作速度對深松鏟阻力的影響

5.3 工作深度對耕作阻力的影響

為了進一步研究不同工作深度對深松鏟切削阻力的影響，對工作深度進行單因素仿真試驗。根據深松鏟實際工況的要求，將工作深度設置為160、190、220、250、280mm等5個試驗水平，工作速度為6km/h，入土角為24°。圖9為不同工作深度對深松鏟耕作阻力的影響。

圖9 不同工作深度對深松鏟阻力的影響

由圖9可知：深松鏟在切削土壤過程中，其阻力隨工作深度的增加而增大，在工作深度為160mm時，深松鏟阻力最小為380N；在工作深度為280mm時，深松鏟阻力最大，為601N。

6 結論

1)仿生變曲率深松鏟的減阻性能最好，其阻力最小(601 N)，圓弧型深松鏟的減阻性能最差，耕作阻力最大(825 N)。

2)深松鏟入土角為24°時，其耕作阻力最小(601N)，入土角為20°時，深松鏟阻力為 630N。當入土角大于24°時，深松鏟的阻力隨入土角的增大而增大，因此當入土角為24°時，深松鏟具有較好的減阻性能。

3)深松鏟的耕作阻力隨工作速度和工作深度的增加而增大，在速度為8km/h，工作深度為280mm時，其耕作阻力均最大。