倒V型稻田株間除草裝置虛擬仿真及驗證*

靳文停，葛宜元, 2，樊文武，馬瀏軒, 2，李文龍，楊榮敏

(1. 佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江佳木斯，154007； 2. 佳木斯博發(fā)農(nóng)業(yè)機(jī)械研究有限公司，黑龍江佳木斯，154007)

0 引言

稻田機(jī)械除草是一種綠色環(huán)保、省時省力的控草方式，具有降低農(nóng)藥用量、提高水稻產(chǎn)量、改善土壤物理結(jié)構(gòu)等優(yōu)點[1-4]。由于稻田環(huán)境復(fù)雜、土壤特性多變，及缺少稻田株間除草部件在不同作業(yè)環(huán)境、不同作業(yè)參數(shù)下與土壤互作的研究分析，很難保證株間除草效果[5-7]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對農(nóng)業(yè)機(jī)械—土壤互作問題廣泛應(yīng)用虛擬仿真方法。齊龍等[8]運用ANSYS軟件對水田耙壓式行間除草輪與土壤互作過程進(jìn)行模擬，探究了土壤種類、水層深度及除草輪轉(zhuǎn)速對耦合應(yīng)力和土壤擾動率的影響。王凱[9]運用有限元法模擬了踩踏式水田除草機(jī)器人踩踏過程，得到移動速度、前傾角和水層深度對除草性能的影響。Tian等[10]運用離散元法模擬分析了水田除草輪與土壤的相互作用過程，得到了入土深度、除草輪轉(zhuǎn)速和機(jī)器前進(jìn)速度對扭矩和土壤擾動率的影響規(guī)律，并通過土槽及田間試驗驗證了仿真試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。Bentaher等[11]采用三維重建結(jié)合有限元法，模擬了犁體切削土壤過程，仿真結(jié)果表明犁體最佳工作角度為22°。

綜上所述，運用虛擬仿真方法對農(nóng)業(yè)機(jī)械—土壤互作問題進(jìn)行研究是切實可行的。本文針對倒V型株間除草裝置采用聯(lián)合建模有限元虛擬仿真，對除草爪與土壤—水耦合模型互作過程進(jìn)行模擬，通過正交試驗及優(yōu)化設(shè)計得到最優(yōu)參數(shù)組合，最后，通過室內(nèi)試驗驗證該裝置除草性能，以期提高稻田株間機(jī)械除草效果，加快推進(jìn)稻田除草機(jī)械化進(jìn)程。

1 倒V型株間除草裝置結(jié)構(gòu)

倒V型株間除草裝置由除草爪、倒V機(jī)構(gòu)和傳動機(jī)構(gòu)組成，其中傳動機(jī)構(gòu)主要包括倒V型傳動軸、橫向傳動軸和1個大錐齒輪、2個小錐齒輪相互嚙合組成的齒輪輪組，如圖1所示。除草爪是該裝置與水田土壤、植物直接接觸部件，由彈齒和爪盤組成，兩個除草爪對稱、同號彈齒間具有36°相位角安裝。

除草爪由柴油機(jī)通過變速箱經(jīng)過系列傳動(鏈傳動、齒輪傳動)提供動力，沿著與機(jī)器作業(yè)相反方向作對轉(zhuǎn)余擺線運動。除草作業(yè)過程中除草爪各彈齒順次對土壤進(jìn)行切削將水?dāng)嚋?，雜草被劃離原位漂浮水面或埋入土壤，抑制其生長。

圖1 倒V型株間除草裝置三維結(jié)構(gòu)圖

2 虛擬仿真試驗及分析

虛擬仿真可有效縮短部件設(shè)計、試驗周期，為后期試驗奠定理論基礎(chǔ)。運用Creo 5.0、HyperMesh2017、LS-PrePost和LS-DYNA軟件聯(lián)合建立除草爪與土壤—水流固耦合模型，模擬倒V型稻田株間除草裝置除草作業(yè)過程，以土壤擾動率為評價指標(biāo)，分析因素及其交互作用對評價指標(biāo)的影響。

2.1 仿真模型的建立

2.1.1 除草爪有限元模型

倒V型稻田株間除草裝置除草作業(yè)過程中，除草爪與土壤—水直接接觸，為縮短運算時間，虛擬仿真對其進(jìn)行簡化處理，利用Creo 5.0軟件對除草爪進(jìn)行三維建模。建好的模型導(dǎo)入HyperMesh2017軟件中進(jìn)行模型修復(fù)和網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.001 m，共劃分31 795個節(jié)點、31 892個單元，保存為“.k”文件。運用LS-PrePost軟件對k文件進(jìn)行關(guān)鍵字定義[12]。選擇剛性材料(*MAT_RAGID)對除草爪材料參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，其參數(shù)分別設(shè)置為：密度0.007 85 g/mm3、楊氏模量2.1×103MPa、泊松比0.3；設(shè)置約束，對移動方向X、Z軸自由度和旋轉(zhuǎn)方向Y軸自由度進(jìn)行約束，其他參數(shù)選擇默認(rèn)[13]。

2.1.2 土壤—水耦合模型

為保證水與土壤共用切分面上的網(wǎng)格與節(jié)點，并且在除草爪擾動土壤—水模型過程中，流域邊界不產(chǎn)生畸變[14]，利用Creo 5.0軟件建立長×寬×高[土壤高度+水層高度(Wh)]為0.36 m×0.5 m×[0.05+Wh] m的土壤—水耦合模型，然后將其切分為上下兩層，上層表示水、下層表示土壤，如圖2所示。

模型上層選擇材料庫中的9號材料(*MAT_NULL)，其參數(shù)為密度0.001 g/mm3，截止壓力-1×10-5MPa，選用Gruneison狀態(tài)方程[15]，如式(1)所示。下層選擇材料庫中的147號(*MAT_FHWA_SOIL)[16]，主要參數(shù)如表1所示，其他參數(shù)選擇默認(rèn)值。

圖2 土壤—水模型

(γ0+α2μ)E

(1)

式中：P——壓力，MPa；

ρ0——水的初始密度，g/mm3；

C——沖擊速度—粒子速度曲線截距；

γ0——Gruneison常數(shù)；

S1、S2、S3——沖擊速度—粒子速度曲線斜率系數(shù)；

E——初始內(nèi)能，J/kg；

α2——階體積修正系數(shù)。

表1 土壤層主要參數(shù)Tab. 1 Main parameters of soil layer

為實現(xiàn)水與土壤之間物質(zhì)交換與運輸，采用ALE多物質(zhì)單元體算法，利用關(guān)鍵字*ALE_MULTI_MATERIAL_GROUP對土壤和水進(jìn)行多物質(zhì)流固耦合，將二者綁定在一個單元算法內(nèi)[17]。為模擬真實水田土壤無限大空間，對土壤—水模型底部施加SPC全約束，對其另外五個面添加無反射邊界條件。最后通過關(guān)鍵字*CONTROL_ALE對土壤—水耦合模型網(wǎng)格光滑化處理[18]。

2.1.3 除草爪與土壤—水流固耦合

采用罰函數(shù)法對除草爪與土壤-水模型進(jìn)行流固耦合，利用關(guān)鍵字*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID對除草爪與土壤—水模型接觸形式進(jìn)行定義，設(shè)定Lagrange單元體(一對除草爪)為SLAVE，ALE多物質(zhì)單元體(土壤—水)為MASTER，設(shè)置動摩擦系數(shù)為0.1、靜摩擦系數(shù)為0.5，其他參數(shù)選擇默認(rèn)。除草爪與土壤—水流固耦合仿真過程，為了方便觀察土壤流動情況，對水層進(jìn)行隱藏，如圖3所示。

圖3 除草爪與土壤—水流固耦合仿真過程

2.2 虛擬仿真試驗

為探明除草爪與土壤相互作用過程中在不同的工作狀態(tài)和水田環(huán)境下對除草效果的影響規(guī)律，利用LS-DYNA軟件進(jìn)行虛擬仿真試驗。本文選取機(jī)器前進(jìn)速度X1、除草爪轉(zhuǎn)速X2和水層厚度X3為虛擬仿真試驗因素，以仿真后土壤—水耦合模型擾動率Y1(以下稱“擾動率”)為試驗指標(biāo)，并考慮3個因素間一級交互作用，設(shè)計三因素三水平二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗。

定義除草爪旋轉(zhuǎn)切削土壤—水模型走過一定距離內(nèi)，土壤—水模型受到擾動網(wǎng)格數(shù)與總網(wǎng)格數(shù)的比值，稱為擾動率。利用LS-PrePost軟件進(jìn)行后處理，對除草爪模型進(jìn)行隱藏，選擇左視圖，將土壤—水模型選擇網(wǎng)格化(圖4)。

圖4 土壤—水耦合模型網(wǎng)格擾動圖

試驗方案與結(jié)果如表2所示。

表2 試驗方案與結(jié)果Tab. 2 Test plan and results

2.3 試驗結(jié)果分析

2.3.1 方差分析

將表2試驗結(jié)果輸入到Design-Expert 8.0.6軟件進(jìn)行二次回歸擬合，得到擾動率的數(shù)學(xué)模型各回歸系數(shù)，建立回歸方程，如式(2)所示。

Y1=53.97-4.36X1+4.34X2+116.11X3+

0.01X1X2-0.16X2X3-29.29X12-

4 188.61X32

(2)

對擾動率回歸方程及其各系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗，如表3所示。

查F分布臨界值表可知，F(xiàn)模型、FX1、FX2和FX3、FX2×X3、FX32均大于F0.01(1,13)=9.07，因此，模型、機(jī)器前進(jìn)速度、除草爪轉(zhuǎn)速、水層厚度、除草爪轉(zhuǎn)速×水層厚度和水層厚度二次項對擾動率影響極顯著；F0.01(1,13)=9.07≥FX1×X2和FX12>F0.05(1,13)=4.67，因此，機(jī)器前進(jìn)速度×除草爪轉(zhuǎn)速和機(jī)器前進(jìn)速度二次項對擾動率影響顯著；FX1×X3、FX12和F失擬項水層厚度>機(jī)器前進(jìn)速度。

表3 擾動率方差分析表Tab. 3 Disturbance rate variance analysis table

2.3.2 響應(yīng)面分析

根據(jù)方差分析結(jié)果結(jié)合響應(yīng)曲面圖(圖5)可知：機(jī)器前進(jìn)速度X1×除草爪轉(zhuǎn)速X2對擾動率有影響，機(jī)器前進(jìn)速度X1×水層厚度X3對擾動率無影響，除草爪轉(zhuǎn)速X2×水層厚度X3對擾動率有影響。由圖5(a) 可知，擾動率隨除草爪轉(zhuǎn)速增大而增加，當(dāng)機(jī)器前進(jìn)速度<0.70 m/s時，隨著除草爪轉(zhuǎn)速增大，擾動率升高變化不大；當(dāng)機(jī)器前進(jìn)速度>0.70 m/s時，隨著除草爪轉(zhuǎn)速增大，擾動率升高趨勢明顯。擾動率隨機(jī)器前進(jìn)速度增大而降低，當(dāng)除草爪轉(zhuǎn)速<120.00 r/min時，隨著機(jī)器前進(jìn)速度增大，擾動率降低趨勢明顯；當(dāng)除草爪轉(zhuǎn)速>120.00 r/min時，隨著機(jī)器前進(jìn)速度增大，擾動率降低變化不大。由圖5(b)可知：擾動率隨水層厚度增高而降低，當(dāng)除草爪轉(zhuǎn)速<120.00 r/min時，隨著水層厚度增高，擾動率降低變化不大；當(dāng)除草爪轉(zhuǎn)速>120.00 r/min時，隨著水層厚度增高，擾動率降低趨勢明顯。擾動率隨除草爪轉(zhuǎn)速增大而增加，當(dāng)水層厚度<0.03 m時，隨著除草爪轉(zhuǎn)速增大，擾動率升高趨勢明顯；當(dāng)水層厚度>0.03 m時，隨著除草爪轉(zhuǎn)速增大，擾動率升高變化不大。對上述影響規(guī)律分析其原因如下，機(jī)器前進(jìn)速度增大，相同時間內(nèi)除草爪與土壤-水模型接觸面積減少，從而擾動率降低，除草爪轉(zhuǎn)速與其相反；水層厚度增加，土壤-水模型流動性逐漸增大，除草爪走過，大部分自動流回，導(dǎo)致最后整體擾動率低。

(a) X1與X2交互作用響應(yīng)曲面

(b) X2與X3交互作用響應(yīng)曲面

3 優(yōu)化設(shè)計與驗證試驗

3.1 優(yōu)化設(shè)計

通過響應(yīng)面分析可知，要想獲得較高的擾動率，就需要較小的機(jī)器前進(jìn)速度、較高的除草爪轉(zhuǎn)速和較薄的水層(除草爪擾動后，將水?dāng)嚋啠种齐s草光合作用)。采用目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計方法，得到該株間除草裝置最佳因素參數(shù)組合，目標(biāo)函數(shù)如式(3)所示。

Y1=f(X1,X2,X3)→max

(3)

目標(biāo)函數(shù)的約束條件如(4)所示。

(4)

利用Design-Expert軟件優(yōu)化模塊對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解，優(yōu)化結(jié)果如表4所示。

由表4可知，優(yōu)化結(jié)果水層厚度均為0.01 m，需要對機(jī)器前進(jìn)速度和除草爪轉(zhuǎn)速進(jìn)行選擇。根據(jù)2.3.2節(jié)響應(yīng)面分析、綜合考慮機(jī)器工作效率和除草效果，可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)器前進(jìn)速度優(yōu)化結(jié)果均小于0.70 m/s，除草爪轉(zhuǎn)速優(yōu)化結(jié)果均大于120.00 r/min，此時除草爪轉(zhuǎn)速、機(jī)器前進(jìn)速度越大，對擾動率影響均變化不大，但均可使機(jī)器工作效率提高。因此，選取機(jī)器前進(jìn)速度為0.53 m/s、除草爪轉(zhuǎn)速為180 r/min、水層厚度為0.01 m為該株間除草裝置最佳因素參數(shù)組合。

表4 優(yōu)化結(jié)果Tab. 4 Optimization results

3.2 驗證試驗

為驗證優(yōu)化結(jié)果，在室內(nèi)搭建智能水田株間除草試驗臺對選出的最佳因素參數(shù)組合進(jìn)行試驗。試驗期間，光照充足、室內(nèi)平均溫度25.6 ℃。稻苗移栽16 d，平均高度0.342 m，株間距0.12 m。雜草有稗草和野慈姑，隨機(jī)分布于稻苗株間。除草爪入土深度0.03 m。驗證試驗進(jìn)行5次，對每次試驗的除草率和傷苗率進(jìn)行統(tǒng)計，求得平均值，試驗結(jié)果如表5所示。

表5 驗證試驗結(jié)果Tab. 5 Verification test results

倒V型稻田株間除草裝置在室內(nèi)測試裝置上，當(dāng)前進(jìn)速度為0.53 m/s、除草爪轉(zhuǎn)速為180.00 r/min和水層厚度為0.01 m時，平均除草率為85.04%，平均傷苗率為3.62%。驗證試驗結(jié)果表明，擾動率可以作為該裝置評價除草性能的仿真試驗指標(biāo)，倒V型稻田株間除草裝置的除草率和傷苗率滿足機(jī)械除草農(nóng)藝要求。

4 結(jié)論

1) 采用“聯(lián)合建?！彼枷耄\用Creo 5.0軟件對除草爪等進(jìn)行三維建模，將建好的模型導(dǎo)入HyperMesh2017軟件進(jìn)行模型修復(fù)和網(wǎng)格劃分，利用LS-PrePost軟件中ALE多物質(zhì)單元體算法對土壤、水兩物質(zhì)進(jìn)行耦合，運用流固耦合算法，對倒V型稻田株間除草爪與土壤—水模型互作過程進(jìn)行了模擬。

2) 運用二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗設(shè)計方法進(jìn)行虛擬仿真試驗，通過方差及響應(yīng)面分析，得到機(jī)器前進(jìn)速度與除草爪轉(zhuǎn)速、除草爪轉(zhuǎn)速與水層厚度對擾動率有交互作用，各因素對擾動率的影響為除草爪轉(zhuǎn)速>水層厚度>機(jī)器前進(jìn)速度。擾動率隨機(jī)器前進(jìn)速度增大而降低、隨除草爪轉(zhuǎn)速增大而增加、隨水層厚度增加而降低。

3) 通過對虛擬仿真試驗結(jié)果優(yōu)化，并進(jìn)行室內(nèi)試驗驗證可知：當(dāng)機(jī)器前進(jìn)速度為0.53 m/s、除草爪轉(zhuǎn)速為180.00 r/min和水層厚度為0.01 m的作業(yè)參數(shù)下，倒V型稻田株間除草裝置平均除草率為85.04%，平均傷苗率為3.62%，滿足農(nóng)藝要求。