鏟式成穴器成穴性能的離散元法仿真

紀玉杰，于 淼，李成華

(沈陽理工大學機械工程學院，遼寧沈陽110159)

與傳統(tǒng)作物開溝播種作業(yè)機具相比，鏟式打穴播種機的優(yōu)點在于利用一定型式的成穴裝置，首先在土壤表層生成穴孔來代替開溝作業(yè)，然后利用投種裝置將所播的作物種子，按照農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的技術要求以單粒、雙粒或多粒的方式投入到穴孔中［1］.顯然，成穴裝置的工作性能是影響播種機工作質量的關鍵因素之一.李成華等［1］對鏟式成穴器的工作原理在理論上進行了深入的分析和實驗研究，并利用計算機仿真了成穴器的工作過程，但是沒有表現(xiàn)出土壤的動態(tài)破壞過程，無法反映打穴鏟與土壤顆粒以及土壤顆粒之間的相互作用關系.離散元法可以直觀觀察物體的實時運動情況，可以描述散粒物料與農(nóng)機工作部件的接觸作用和散粒物料的流動過程，所以，可以用來仿真成穴器的工作過程，進而分析鏟式打穴播種機的工作性能［2-4］.

文中采用離散元仿真分析方法，對打穴鏟與土壤顆粒以及土壤顆粒之間的相互作用過程進行仿真，觀察土壤的動態(tài)破壞過程，進而為鏟式玉米播種機工作性能分析提供一種新的方法.

1 離散元法

離散單元法以物質內(nèi)部顆粒為單元，完全從構成物質的顆粒細觀形態(tài)出發(fā)進行研究，是一種完善的離散物質細觀分析方法.這種方法克服了連續(xù)介質理論的缺點和不足，充分發(fā)揮了離散物質細觀分析方法的優(yōu)點，在分析具有離散性物質的動態(tài)行為方面表現(xiàn)出了極大的優(yōu)越性［5-8］.而土壤作為典型的離散物質，在受到外力作用后，土塊的破碎和分離更體現(xiàn)出其碎散性，因此離散元法已成為研究土壤動態(tài)行為的新手段和方法［9-12］.

2 成穴器離散元仿真分析系統(tǒng)

根據(jù)離散元法的思想，以VC6.0為開發(fā)工具，在Windows環(huán)境下開發(fā)離散元仿真分析系統(tǒng).系統(tǒng)流程如圖1所示.

圖1 離散元仿真分析系統(tǒng)框圖

2.1 成穴器離散元計算模型

文中選用的成穴器如圖2所示.采用離散元法分析成穴器工作過程時，首先應建立成穴器的離散元法分析模型.由成穴器的二維CAD模型(圖3)建立成穴器的二維離散元法分析模型，即通過Object-ARX對AutoCAD進行二次開發(fā)，為成穴器CAD模型添加材料屬性、運動方式等參數(shù)，并讀取成穴器與土壤顆粒接觸作用的圖元，將圖形信息存入數(shù)據(jù)庫，利用MFC從數(shù)據(jù)庫中提取成穴模型的信息，從而構建鏟式成穴器離散元仿真模型.

圖2 鏟式成穴器結構示意圖

圖3 鏟式成穴器CAD模型

2.2 土壤顆粒離散元模型

顆粒離散元法從細觀層面建立土壤的顆粒模型，可以從土壤的細觀力學特性進行數(shù)值模擬，克服了連續(xù)介質法難以模擬土壤漸近破壞過程的困難.為了真實模擬土壤的內(nèi)部結構，文中選用二維圓盤顆粒粒徑大小服從正態(tài)分布模擬離散的土壤顆粒.

2.3 土壤顆粒力學模型

土壤中水分的存在使顆粒間產(chǎn)生黏結力，而形成顆粒團塊.當土壤受到機械部件(如成穴器)作用時，這些黏結在一起的團塊會受到破壞而分離成小的團塊和離散的顆粒.因此，在建立土壤顆粒離散元力學模型時，要綜合考慮這些作用力的影響.

文中在線性接觸剛度模型的基礎上，引入了滑移模型來反映土壤顆粒在接觸點處的本構關系，加入了并行約束模型來表征土壤顆粒之間黏結力的作用，建立了土壤顆粒接觸非線性力學模型，如圖4所示.其中，接觸法向和接觸切向彈簧部分代表線性接觸剛度模型，摩擦滑塊部分代表滑移模型，并行約束彈簧部分代表并行約束模型，法向和切向黏性阻尼器部分代表黏性阻尼的影響［13］.

圖4 土壤顆粒接觸非線性力學模型

文獻［13］對線性接觸剛度模型、滑移模型和并行約束模型進行了詳細的論述，因此文中只對滑移模型和并行約束模型進行簡單的敘述.

2.3.1 滑移模型

滑移是2個接觸顆粒的一個固有屬性.它通過限制切向力來允許顆粒之間發(fā)生滑移，通過計算最大允許切向接觸力來判斷滑移條件.如果切向接觸力大于最大允許切向接觸力，通過設定切向接觸力等于最大允許切向接觸力來使顆粒之間在下一計算時不發(fā)生滑移.

當δn＞0時，涉及到土壤的滑移行為，根據(jù)Mohr-Coulomb 準則，當 μFnk(t)＞Fτk(t)時，F(xiàn)τk(t)=μFnk(t);當δn≤0時，不需要考慮滑移行為.

2.3.2 并行約束模型

并行約束模型是一種可以描述沉積在兩顆粒之間一定尺度黏性物質的本構特性，可以在顆粒之間建立一種彈性相互關系，而這種關系與滑移模型并行作用.并行約束在顆粒之間建立一種彈性關系，即一系列具有法向和切向剛度的彈性彈簧，它們與描述線性接觸剛度模型的點接觸彈簧并行作用.

并行約束產(chǎn)生的合力相對于接觸平面分解為法向分量和切向分量，即

式中:Fpb為并行約束合力;為并行約束法向力;為并行約束切向力.

根據(jù)梁理論，作用在并行約束上的最大法向應力和最大切向應力滿足:

式中:τmax為最大切向向應力;σmax為最大法向應力;A為約束橫街面的面積;Mpb3為當前時步并行約束合力矩;ˉR為并行約束半徑;I為約束橫截面關于通過接觸點的軸的轉動慣量.

3 離散元仿真計算模型參數(shù)的選取

根據(jù)土壤的結構性和耕性，設置仿真參數(shù)值:土壤顆粒間動摩擦系數(shù)為0.4，靜摩擦系數(shù)為0.5;土壤顆粒間法向剛度系數(shù)為24 000 N·m-1，切向剛度系數(shù)為21 000 N·m-1;土壤顆粒間法向阻尼系數(shù)為0.5 N·(m·s-1)-1，切向阻尼系數(shù)為0.4 N·(m·s-1)-1;土壤顆粒與成穴器間動摩擦系數(shù)為0.4，靜摩擦系數(shù)為0.5;土壤顆粒與成穴器間法向剛度系數(shù)為28 000 N·m-1，切向剛度系數(shù)為23 000 N·m-1;土壤顆粒與成穴器間法向阻尼系數(shù)為0.55 N·(m·s-1)-1，切向阻尼系數(shù)為 0.45 N·(m·s-1)-1.

4 鏟式成穴器工作過程的仿真

4.1 工作速度

分別分析成穴器在不同的播種速度下的成穴性能，選取播種速度分別為 1.2，1.6，2.0 和 2.2 m·s-1.仿真結果如圖5所示.

圖5 不同播種速度下的仿真結果

當成穴器播種深度為60 mm、土壤含水率為15%時，由二維離散元法仿真得到的土壤動態(tài)變化與文獻［1］中的理論分析結果接近.從圖中可以看出，當打穴鏟達到預定播深離開穴孔后，土壤并沒有完全自流回土，土壤表面留有打穴鏟運動后的軌跡，這是因為隨著速度的加快，打穴鏟對土壤的擾動明顯加劇，使土壤的回流覆蓋效果變差.

當v=1.2 m·s-1時，土壤的回流覆蓋效果理想，但是過于限制播種機的播種速度會影響到工作效率，所以適宜的工作速度為1.5～2.0 m·s-1.

4.2 土壤含水率

文中研究的鏟式成穴器去除了鏟斗式和鴨嘴式成穴器上的開、閉活門，通過打穴鏟的特殊運動軌跡來保證打穴鏟上的投種口不與土壤發(fā)生接觸，可以避免成穴部件被土壤堵塞的問題，但是當土壤黏度較大時，成穴器的成穴質量還是會受到一定的影響，將對不同含水率的土壤進行離散元仿真.

當播種深度為60 mm，播種速度為1.5 m·s-1時，選取含水率為5%，15%，21%和25%的土壤進行離散元仿真計算.

仿真結果如圖6所示，隨著含水率的增加，土壤的回流覆蓋效果變差，這是由于水分的存在使土壤顆粒之間有一定的黏結力，含水率越高，土壤的黏結現(xiàn)象越是明顯，這些黏結在一起的土壤團塊，流動性差，從而影響成穴器的播種深度，在一定程度上，影響了種子的發(fā)芽率.

圖6 不同土壤含水率的仿真結果

圖6中的仿真結果與文獻［1］中的理論分析結果和試驗結果變化趨勢相一致，說明所建立的鏟式成穴器的離散元計算模型可以用于進行鏟式成穴器成穴性能的仿真分析.

5 結論

在線性接觸剛度模型和滑移模型的基礎上，加入了并行約束模型來表征土壤顆粒之間由于水分的存在而產(chǎn)生的黏結力，從而建立了土壤顆粒接觸非線性力學模型，結果表明:隨著工作速度的加快，可以看到土壤的擾動明顯加劇，回流覆蓋效果變差;隨著土壤含水率的增加，土壤的團聚現(xiàn)象明顯，土壤流動性差，自留回土效果變差.初步說明了采用離散元法分析鏟式成穴器成穴性能的可行性，為鏟式成穴器的研究提供了一種新的仿真分析方法.

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