平動型油菜開溝器刀刃形狀對降阻的影響—基于LS-dyna

周訓(xùn)謙，張　建，王　穎，龔明勝，肖　潔

(1.畢節(jié)市農(nóng)業(yè)機械研究所，貴州 畢節(jié)　551700；2. 畢節(jié)市工業(yè)學(xué)校，貴州 畢節(jié)　551700；3.長風(fēng)科技有限責(zé)任公司，蘭州　730000)

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平動型油菜開溝器刀刃形狀對降阻的影響
—基于LS-dyna

周訓(xùn)謙1，張建2，王穎3，龔明勝2，肖潔1

(1.畢節(jié)市農(nóng)業(yè)機械研究所，貴州 畢節(jié)551700；2. 畢節(jié)市工業(yè)學(xué)校，貴州 畢節(jié)551700；3.長風(fēng)科技有限責(zé)任公司，蘭州730000)

摘要：開溝器是油菜播種機的核心部件，影響著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(jìn)行了仿真，并對比分析了6種不同刀刃形狀開溝器的工作阻力。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0.85m/s前進(jìn)時，銳角式開溝器的工作阻力小于鈍角式開溝器；刀刃為曲線的銳角式開溝器的工作阻力小于刀刃為直線的銳角式開溝器；刀刃為凹曲線的銳角式開溝器的工作阻力小于刀刃為凸曲線的銳角式開溝器；刀刃為曲—曲組合式的開溝器在運行平穩(wěn)后的工作阻力比刀刃為單一式的開溝器運行平穩(wěn)后的工作阻力小。

關(guān)鍵詞：油菜；開溝器；LS-dyna；刀刃；土壤；降阻

0引言

油菜播種機工作時，開溝器的主要作用是開出種溝的同時引導(dǎo)油菜籽粒和肥料進(jìn)入溝內(nèi)，并使?jié)裢粮采w油菜籽粒和肥料。好的開溝器工作時應(yīng)節(jié)能減阻，因此必須考慮土壤與開溝器接觸作用及土壤相互之間的群體作用。為了降低改善開溝器工作過程中工作阻力，本文選用平動型開溝器為研究對象，采用LS—dyna軟件對油菜播種機的開溝器工作過程進(jìn)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130mm×80mm×80mm，材料采用LS—dyna中的MAT147。該模型采用修正的Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則[4-6]，則有

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其中，F(xiàn)為模型屈服表面力(N)；J2為應(yīng)力偏張量的第2不變量；p為壓力(N)；K(θ)為應(yīng)力羅德角函數(shù)；φ為內(nèi)摩擦角(°)；c為黏聚力(N)；α為定義修正后屈服面和標(biāo)準(zhǔn)Mohr-Coulomb屈服面之間貼近程度的參數(shù)[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(rèn)值，單位采用g-mm-ms-MPa單位制。

當(dāng)α=0時，式(1)恢復(fù)為標(biāo)準(zhǔn)Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。

考慮到貴州畢節(jié)耕作的土壤主要為黃棕壤[7]，土壤材料的主要參數(shù)如表1所示，土壤材料的其余參數(shù)參考MAT_FHWA_SOIL中的默認(rèn)值，本文單位制采用g-mm-ms-MPa。

表1　土壤材料的主要參數(shù)

1.2開溝器模型

Ls-dynas和Solidwork的系統(tǒng)坐標(biāo)系均為笛卡爾坐標(biāo)系，因此在Solidwork軟件中建立的仿真模型導(dǎo)入Ls-dynas軟件時，視圖坐標(biāo)方向不發(fā)生變化。為了減少計算時間和提高計算精度，在Solidworks軟件中建立的油菜播種機開溝器實體簡化模型(按1:1建模)如圖1所示。為了后文描述方便，圖1中定義：(a)為結(jié)構(gòu)1，(b)為結(jié)構(gòu)2，(c)為結(jié)構(gòu)3，(d)為結(jié)構(gòu)(4)，e為結(jié)構(gòu)(5)，(f)為結(jié)構(gòu)6。

圖1　仿真模型圖

1.3仿真模型設(shè)定

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

2)開溝器的材料定義為剛性體模型MAT_RIGID,密度為7.82×10-3g/mm3, 泊松比為0.288，彈性模量為2.11×105MPa，并添加沿Y和Z方向的位移的自由度為0，所有旋轉(zhuǎn)的自由度為0。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，右側(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仿真條件設(shè)計

1)開溝器沿X正方向的速度為0.84mm/ms。

2)根據(jù)油菜條播深度25～40mm[1]，本文取30mm，即開溝器對土壤的最大切削深度為30mm。

3)刀刃角相同。

4)切削溝寬相同。

5)重力加速度方向相同。

1.5MAT_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(jìn)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(rèn)值。

2仿真與結(jié)果分析

該仿真過程時間設(shè)為65ms，定義：12ms時為第1工作狀態(tài)，22mm時為第2工作狀態(tài)，63ms時為第3工作狀態(tài)。開溝器工作時，將部分土壤升起、拋翻、推擠或擠壓，形成溝痕。結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2(左圖為結(jié)構(gòu)1，右圖為結(jié)構(gòu)2)3個工作狀態(tài)時的阻力云圖如圖2～圖4所示。

圖2　12ms時的切削阻力圖

圖3　22ms時的切削阻力圖

圖4　63ms時的切削阻力圖

從圖2～圖4中可以看出：在同一時刻，結(jié)構(gòu)1的工作阻力小于結(jié)構(gòu)2工作阻力。其原因是：結(jié)構(gòu)1對先接觸的土壤有松土作用，結(jié)構(gòu)2對先接觸的土壤有壓實作用；結(jié)構(gòu)1 工作時與開溝器接觸的部分土壤有上升趨勢，結(jié)構(gòu)2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(jìn)，它們的工作阻力趨于平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)1的最大工作阻力為12.7N, 結(jié)構(gòu)2的最大工作阻力為12.9N。

圖5～圖7為結(jié)構(gòu)3和結(jié)構(gòu)4(左圖為結(jié)構(gòu)3，右圖為結(jié)構(gòu)4)3個工作狀態(tài)的阻力云圖。

圖5　12ms時的切削阻力圖

圖6　22ms時的切削阻力圖

圖7　63ms時的切削阻力圖

從圖5～圖7中可以看出：在同一時刻，結(jié)構(gòu)3工作時的阻力比結(jié)構(gòu)4工作時的阻力小。這是由于刀刃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，結(jié)構(gòu)3式開溝器的最大工作阻力為7.4N, 結(jié)構(gòu)2式開溝器的最大工作阻力為10N。

圖8～圖10為結(jié)構(gòu)5和結(jié)構(gòu)6(左圖為結(jié)構(gòu)5，右圖為結(jié)構(gòu)6)3個工作狀態(tài)的阻力云圖。

從圖8～圖10中可以看出：在同一時刻，在第1工作狀態(tài)時，結(jié)構(gòu)5工作時的阻力比結(jié)構(gòu)4工作時的阻力小，這是由于結(jié)構(gòu)5在運行時候與土壤接觸的面積要小，但在第2和第3工作狀態(tài)時，結(jié)構(gòu)5工作時的阻力比結(jié)構(gòu)4工作時的阻力大；結(jié)構(gòu)5的最大工作阻力為12.8N, 結(jié)構(gòu)6的最大工作阻力為11.3N。

圖8　12ms時的切削阻力圖

圖9　22ms時的切削阻力圖

圖10　63ms時的切削阻力圖

對圖2～圖10進(jìn)行縱向?qū)Ρ瓤梢钥闯觯核鼈兊墓ぷ髯枇Χ冀?jīng)歷著由小增大、再由大減小、最后到平穩(wěn)的過程。

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]，則有

(2)

其中，PT為常用耕速下拖拉機的額定牽引力，N；K為土壤比阻，取K=60kPa；n為配套犁體數(shù)，取n=1；α為按農(nóng)業(yè)技術(shù)要求確定的油菜播深，條播深度25～40mm，本文取α=30mm；b為單犁體耕寬，本文取平均寬度b=7mm；η1為牽引力利用系數(shù)，一般為0.8～0.95，取η1=0.9。由式(2)計算出單個開溝器的土壤切削阻力為14.1N。

由此可見，通過有限元模擬得到的結(jié)果與公式計算的切削阻力值基本吻合。因此，該模擬切削模型可用于估算油菜播種機工作時的切削阻力，同時驗證該模擬方法是合理可行的。

4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)刀刃為曲線的開溝器的工作阻力小于刀刃為直線的開溝器的阻力。

3)刀刃為凹曲線的銳角式開溝器的工作阻力小于刀刃為凸曲線的銳角式開溝器的工作阻力。

4)刀刃為曲—曲組合式的開溝器在運行平穩(wěn)后的工作阻力比刀刃為單一式的開溝器運行平穩(wěn)后的工作阻力小。

5)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，還需要深入研究。

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The Resistance-reducing Influence of Cutting Edge Shape of Translational Coleseed Colter—Based on LS-dyna

Zhou Xunqian1, Zhang Jian2， Wang Ying3， Gong Mingsheng2， Xiao Jie1

(1.Bijie Agriculture Machinery Research Institue，Bijie 551700，China； 2.Bijie Polytechnic School，Bijie 551700,China； 3.Science and Technology Limited Liability Company of Changfeng，Lanzhou 730000, China)

Abstract：Colter is the core component of coleseed seeder, it 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 using the LS-dyna software in this paper, comparison and analysis working resistance of six different cutting edge shape colter. With the other parameters are same, 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 concave curve cutting edge shape is smaller than the work resistance of the obtuse angle coler of the upper convex curve cutting edge shape, the stability operation work resistance of curve-curve combined cutting edge shape is smaller than the stability operation work resistance of single edge shape.

Key words：coleseed; colter; LS-dyna; cutting edge；soil；resistance-reducing

文章編號：1003-188X(2016)04-0053-04

中圖分類號：S223.2+5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：周訓(xùn)謙(1965-)，男，貴州畢節(jié)人，副研究員，(E-mail)zxq6502 @163.com。通訊作者：張建 (1979-)，男，甘肅會寧人，高級講師，碩士，(E-mail)zhangjianwy@yeah.net。

基金項目：農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)技術(shù)試驗示范專項(2014-2015)

收稿日期：2015-03-13