基于LS-dyna的油菜靴鞋式開溝器工作阻力動態(tài)仿真

張建，王穎，王淑紅

(1.畢節(jié)市工業(yè)學(xué)校，貴州 畢節(jié)　551700；2.長風(fēng)科技有限責(zé)任公司,甘肅 蘭州　730000；

3.蘭州工業(yè)學(xué)院,甘肅 蘭州　730000 )

基于LS-dyna的油菜靴鞋式開溝器工作阻力動態(tài)仿真

張建1，王穎2，王淑紅3

(1.畢節(jié)市工業(yè)學(xué)校，貴州 畢節(jié)551700；2.長風(fēng)科技有限責(zé)任公司,甘肅 蘭州730000；

3.蘭州工業(yè)學(xué)院,甘肅 蘭州730000 )

摘要：開溝器是油菜播種機的核心部件，影響播種機的工作性能和油菜出芽率.為了改善開溝器的入土性能和減小開溝器工作阻力，本文運用LS-dyna軟件對小型手扶式油菜播種機的開溝器切削土壤進行了仿真，對比分析了4中不同刃口開溝器的工作阻力.結(jié)果表明：在其它參數(shù)和約束條件相同的條件下，開溝器以3 km/h前進時，銳角式開溝器的工作阻力小于鈍角式開溝器；刃口為曲線的銳角式開溝器的工作阻力小于刃口為直線的銳角式開溝器；刃口為下凸曲線的銳角式開溝器的工作阻力小于刃口為上凸曲線的銳角式開溝器.

關(guān)鍵詞：油菜；靴鞋式開溝器；LS-dyna；刃口；阻力

第一作者：張建(1979-) ，男，碩士，講師，研究方向農(nóng)業(yè)機械化.E-mail：zhangjianwy@yeah.net

油菜播種機開溝器的功用主要是在播種機工作時，開出種溝，引導(dǎo)油菜籽粒和肥料進入溝內(nèi)，并使?jié)裢粮采w油菜籽粒和肥料.一個好的開溝器應(yīng)滿足工作過程中阻力小且節(jié)省動力消耗，因此必須考慮土壤與開溝器接觸作用以及土壤相互之間的群體作用.為改善開溝器工作過程中的入土性能、切土性能和工作阻力，本文選用一種靴鞋式開溝器為研究對象，采用LS-dyna軟件對油菜播種機的開溝器工作過程進行三維仿真，通過理論計算驗證了該模擬方法是可行合理的[1-3].

1仿真模型

1.1　土壤模型

本文仿真過程中土壤模型尺寸為：100 mm×100 mm×100 mm，材料采用LS-dyna中的MAT147(MAT_FHWA_SOIL)，該模型采用修正的Mohr-Coulomb屈服準則.

(1)

式中：F為模型屈服表面力，N；p為壓力，N；φ為內(nèi)摩擦角，(°)；J2為應(yīng)力偏張量的第2不變量；K(θ)為應(yīng)力羅德角函數(shù)，c為黏聚力，N；α為定義修正后屈服面和標準Mohr-Coulomb屈服面之間貼近程度的參數(shù).當(dāng)α=0時，式(1)恢復(fù)為標準Mohr-Coulomb準則[4-6].

結(jié)合貴州畢節(jié)地區(qū)的土壤特性(黃棕壤)[7]，土壤模型的主要參數(shù)取值如表1所示，其余參數(shù)值參照MAT_FHWA_SOIL中的默認值，單位采用g、mm、ms、MPa單位制.

表1　土壤材料的主要參數(shù)

1.2　開溝器模型

Solidworks和Ls-dyna的系統(tǒng)默認坐標系都是笛卡爾坐標系，因此建立的模型導(dǎo)入時視圖方向不發(fā)生變化.為了減少計算時間和提高計算精度，本文采用Solidworks軟件按1∶1建立油菜播種機開溝器實體簡化模型，如圖1-A~D.

1.3　仿真模型的設(shè)定

1)開溝器和土壤使用SOLID164單元，用lagrangian算法求解，通過細化網(wǎng)格和添加約束適當(dāng)減少沙漏變形.

圖1　仿真模型Fig.1　The simulation model

2)定義開溝器的材料為剛性體模型MAT_RIGID,材料的密度為7.82×10-3g/mm3,彈性模量為2.11×105MPa，泊松比為0.288，并添加沿y和z方向的位移的自由度為零，所有旋轉(zhuǎn)的自由度為零；在仿真過程中為了防止土壤被擠走，在土壤模型表面添加邊界約束，土壤底部添加全約束，左側(cè)添加UX=0.

3)由于模擬過程中，開溝器要穿透土壤，因此定義開溝器和土壤的接觸類型為Surface to Surface中的Eroding(ESTS)，Contact部件為開溝器，Target部件為土壤.

4)開溝器沿y正方向的速度為0.84 mm/ms.

5)根據(jù)油菜條播的播種深度25~40 mm[1]，本文取30 mm，即開溝器對土壤的最大切削深度為30 mm.

6)開溝器模型采用自由掃掠網(wǎng)格法劃分網(wǎng)格，土壤模型采用映射網(wǎng)格法劃分為六面體網(wǎng)格.

1.4　MAT_147材料K文件修改

由于在ANSYS/LS-dyna軟件中無材料MAT_147，因此要對ANSYS/LS-dyna中生成的K文件修改后傳遞給LS-dyna971進行求解，修改MAT_147材料的主要參數(shù)為：土壤密度、體積模量、剪切模量、內(nèi)摩擦角、黏聚力和含水率，其余參數(shù)參照MAT_FHWA_SOIL中的默認值.

2結(jié)果與分析

該仿真過程的時間設(shè)為65 ms，開溝器工作時，將部分土壤升起、拋翻、推擠或擠壓，形成溝痕.開溝器沿x軸正方向以3 km/h前進時，對土壤切削仿真過程中，開溝器-土壤模型的阻力云圖如圖2~4(其中左圖為刃口是直線的銳角式開溝器，右圖為刃口是直線的鈍角式開溝器).從圖2~4中可以看出，在同一時刻，刃口是直線的銳角式開溝器的工作阻力小于刃口是直線的鈍角式開溝器的工作阻力，這是由于鈍角式開溝器對先接觸的土壤有松土作用，鈍角式開溝器對先接觸的土壤有壓實作用；不論刃口是直線的銳角式開溝器還是刃口是直線的鈍角式開溝器，它們的工作阻力都經(jīng)歷著由小增大，再由大減小，最后到平穩(wěn)，這是由于銳角式開溝器工作時與開溝器接觸的部分土壤有上升趨勢，而鈍角式開溝器工作時與開溝器接觸的部分土壤有下行趨勢，因而前者的工作阻力要小于后者的工作阻力，但隨著開溝器的前進，它們的工作阻力趨于平穩(wěn)；刃口是直線的銳角式開溝器的最大工作阻力為12.7 N,刃口是直線的鈍角式開溝器的最大工作阻力為12.9 N.圖5~7為銳角式(左邊圖為刃口是下凸，右邊圖為刃口上凸)工作時的阻力云圖.從圖5~7中可以看出，在同一時刻，刃口為下凸的銳角式開溝器的工作阻力比刃口為上凸的銳角式開溝器的工作阻力小，這是由于刃口為下凸的銳角式開溝器在運行時候與土壤接觸的面積要小.從圖2~7縱向?qū)Ρ瓤梢钥闯?，刃口為曲線的開溝器的工作阻力比刃口為直線的開溝器工作阻力小.

圖2　12 ms時的切削阻力Fig.2　The picture of cutting resistance in 12 ms

圖3　22 ms時的切削阻力 Fig.3　The picture of cutting resistance in 22 ms

圖4　63 ms時的切削阻力Fig.3　The picture of cutting resistance in 22 ms

圖5　12 ms時的切削阻力 Fig.5 The picture of cutting resistance in 12 ms

圖6　22 ms時的切削阻力 Fig.6　The picture of cutting resistance in 22 ms

圖7　63 ms時的切削阻力Fig.7　The picture of cutting resistance in 22 ms

3理論分析

油菜播種機開溝器正常工作時的工作阻力應(yīng)小于拖拉機的額定牽引力，按照犁鏵式計算土壤阻力[1]:

(2)

式中：PT為常用耕速下，拖拉機的額定牽引力N；n為配套犁體數(shù)，取1；ηt牽引力利用系數(shù)，一般取0.80~0.95，取0.9；α為按農(nóng)業(yè)技術(shù)要求確定的油菜播深，條播深度25~40 mm，本文取30 mm；b為單犁體耕寬，本文取平均寬度7 mm；K為土壤比阻，取60 kPa.由式(2)計算出單個開溝器的土壤切削阻力為12.1 N.

由此可見，通過公式計算的切削阻力值與有限元模擬得到的結(jié)果基本吻合，故該切削模型可用于估算整機工作時的切削阻力，同時也驗證了該模擬方法是可行合理的.

4結(jié)論

本文對開溝器—土壤模型簡化處理，通過對開溝器、土壤材料的合理選取，建立了開溝器—土壤切削有限元模型，利用ANSYS/LS-dyna軟件進行了土壤切削的仿真，得到以下結(jié)論：

1)銳角式開溝器的工作阻力小于鈍角式開溝器的工作阻力.

2)刃口為曲線的開溝器的工作阻力小于刃口為直線的開溝器的阻力.

3)刃口為下凸的銳角式開溝器的工作阻力小于刃口為上凸的銳角式開溝器的工作阻力.

4)模擬過程中選取的土壤參數(shù)和施加的邊界條件是影響結(jié)果精度的主要因素，而如何更合理選取土壤參數(shù)和施加邊界條件，使模擬結(jié)果與實際結(jié)果更好地吻合，還需要深究.

參考文獻

[1]中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院.農(nóng)業(yè)機械化設(shè)計手冊·上冊[M].北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2007：300-368

[2]于建群，錢力彬，于文靜,等.開溝器工作阻力的離散元法仿真分析[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報:2009，40(6)：53-57

[3]周明，張國忠，姚興林.有限元法在土壤切削過程模擬中的應(yīng)用[J].農(nóng)機化研究,2009(9)：190-193

[4]楊望，蔡敢為，楊堅.土壤直剪試驗的動力學(xué)仿真[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報:2011，42(7)：96-101

[5]夏俊芳，何小偉，余水生,等.基于ANSYS/LS-DYNA的螺旋刀輥切削有限元模擬[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報:2009，40(6)：53-57

[6]薛子萱，呂新民，唐衛(wèi)衛(wèi).螺旋刀具土壤切削過程模擬分析[J].農(nóng)機化研究:2011(4)：13-16

[7]涂成龍，張玉彪，劉叢強,等.典型巖溶區(qū)域主要土壤類型分布特征與表層土壤保有量估算[J].生態(tài)學(xué)雜志:2012，31(3)：620-625

(責(zé)任編輯李辛)

版權(quán)聲明

為擴大本刊及作者知識信息交流渠道，加強知識信息推廣力度，本刊已許可中國學(xué)術(shù)期刊(光盤版)電子雜志社在CNKI中國知網(wǎng)及其系列數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品中，以數(shù)字化方式復(fù)制、匯編、發(fā)行、信息網(wǎng)絡(luò)傳播本刊全文。該著作權(quán)使用費及相關(guān)稿酬，本刊均用作為作者文章發(fā)表、出版、推廣交流(含信息網(wǎng)絡(luò))以及贈送樣刊之用途，即不再另行向作者支付。凡作者向本刊提交文章發(fā)表之行為即視為同意《甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報》編輯部上述聲明。

Working resistance dynamic simulation of coleseed boot- type colter during soil cutting based on LS-dyna

ZHANG Jian1,WANG Ying2,WANG Shu-hong3

(1.Bijie Polytechnic School,Bijie 551700,China;2.Changfeng Science and Technology Ltd Co，Lanzhou 730000,

China;3.Lanzhou Institute of Technology,Lanzhou,730000,China)

Abstract：Colter is the core component of coleseed seeder,which affects the working performance of seeder and coleseed seeder sprouting.In order to improve the soil piercing performance and reduce the working resistance of the colter.the colter cut soil about small working coleseed seeder was used by the LS-dyna software in this paper,working resistance of four different cutting edge shape colter was compared and analyzed.The results show that under the colter with 0.84 m/s,the work resistance of the acute angle colter is smaller than the work resistance of the obtuse angle coler,the work resistance of the acute angle colter of the curve cutting edge shape is smaller than the work resistance of the obtuse angle coler of the straight line cutting edge shape,the work resistance of the acute angle colter of the lower convex curve cutting edge shape is smaller than the work resistance of the obtuse angle coler of the upper convex curve cutting edge shape.

Key words：coleseed;boot-type colter;LS-dyna;cutting edge；resistance

收稿日期：2014-06-19；修回日期：2014-10-09

中圖分類號：S 223.2+5

文獻標志碼：A

文章編號：1003-4315(2015)04-0156-04