基于SPH/FEM法的土壤深松過程仿真研究

摘要 通過Pro/E軟件建立弧形深松鏟切削土壤的三維模型，在ANSYS Workbench中對模型進(jìn)行有限元前處理，并生成K文件，在LS—PrePost軟件中對K文件進(jìn)行修改，生成仿真所需SPH粒子模型，選擇MAT 147號材料模型作為土壤，運用SPH/FEM耦合方法進(jìn)行土壤深松進(jìn)行動態(tài)仿真，仿真結(jié)果達(dá)到試驗預(yù)期，為土壤深松數(shù)字化設(shè)計提供新的方法。

關(guān)鍵詞 深松;深松鏟;SPH法;仿真

中圖分類號 S126 "文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A "文章編號 0517-6611（2014）32-11580-02

Simulation of Soil Deep Loosening Process Based on SPH/FEM Method

YUAN Jun， WANG Jingli

（The College of Engineering and Technology， Jilin Agricultural University， Changchun， Jilin 130118）

Abstract A threedimensional model of subsoiler was constructed through Pro/E software， the finite element preprocessing was conducted on the model in ANSYS Workbench， K file was obtained and was modified in the LS PrePost software， generating the required SPH particle simulation model. Choosing MAT No.147 material model as soil， dynamic simulation was conducted on soil deep loosening by using SPH/FEM coupling method. The simulation results achieved the experimental expectation， which will provide a new method for soil deep loosening digital design.

Key words Deep loosening; Subsoiler; SPH method; Simulation

基金項目 吉林省科技廳資助項目（20090212）。

作者簡介 袁軍（1985- ），男，江蘇宿遷人，助教，從事農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程方面的教學(xué)與科研工作。

收稿日期 20141009

土壤深松是保護(hù)性耕作中一項關(guān)鍵技術(shù)[1]。作為深松機(jī)具的核心部件，能否滿足使用強(qiáng)度要求，達(dá)到減小深松耕作阻力和預(yù)期的松土效果是考量一個深松鏟產(chǎn)品好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)。因此深松鏟的優(yōu)劣標(biāo)志著深松技術(shù)的水平。

傳統(tǒng)的農(nóng)機(jī)部件的設(shè)計大多采用經(jīng)驗設(shè)計與類比設(shè)計的方法，設(shè)計的精度和可靠性并不高，隨著CAD、CAE技術(shù)的不斷發(fā)展，涌現(xiàn)出了大量優(yōu)秀的計算機(jī)輔助設(shè)計與分析的軟件，例如PRO/E、CATIA、UG等三維設(shè)計軟件和ANSYS、ADAMS、LS-DYNA等有限元及多剛體分析軟件，這些軟件的出現(xiàn)大大促進(jìn)了現(xiàn)代機(jī)械的設(shè)計發(fā)展。

為此，筆者在機(jī)械化保護(hù)性耕作深松理論的基礎(chǔ)上，運用三維設(shè)計軟件Pro/E建立弧形深松鏟切削土壤的三維模型，并對其進(jìn)行FEM-SPH法分析，從而建立一種土壤深松過程模擬的新方法，為深松鏟的優(yōu)化設(shè)計提供一種新的途徑。

1 SPH法簡介

SPH法也稱為光滑質(zhì)子動力學(xué)法，是發(fā)展比較成熟的一種無網(wǎng)格法，它以核函數(shù)近似為基礎(chǔ)，將連續(xù)介質(zhì)離散為一系列具有質(zhì)量的粒子，通過核估計將方程離散。因為光滑粒子法不存在網(wǎng)格，所以不存在計算大變形引起的困難，因為粒子本身是Lagrange 質(zhì)點，因此可以跟蹤物質(zhì)運動，可以記錄材料的變形歷史和界面運動[2-3]。

2 土壤深松模型的建立

2.1 土壤深松的Pro/E參數(shù)化建模

首先，建立弧形深松鏟的Pro/E模型，建模過程中去除圓角和定位孔。其次，建立土壤的Pro/E模型，內(nèi)層土壤的長寬高分別為0.8、0.2、0.4 m，外層土壤的長寬高分別為 0.88、0.28、0.44 m。最后，利用Pro/E與ANSYS的數(shù)據(jù)接口，將裝配模型導(dǎo)入到Pro/E中ANSYS Workbench中。如圖1所示。

圖1 Ansys Workbench深松系統(tǒng)模型

2.2 深松土壤模型的有限元前處理[4]

為了簡化模型，在ANSYS Workbench中，取模型1/2，作為分析對象，并設(shè)置其動力學(xué)參數(shù)。

2.2.1 單位定義。設(shè)置模型的單位為kg/（m·s）。

2.2.2 網(wǎng)格劃分。采用自動劃分網(wǎng)格法劃分深松鏟模型，網(wǎng)格大小定義為10 mm，采用六面體網(wǎng)格劃分土壤模型，定義外層土壤網(wǎng)格的大小為20 mm，定義內(nèi)層土壤的網(wǎng)格大小為10 mm。

2.2.3 約束施加。定義深松鏟的速度方向為-X軸，大小為3.6 km/h，土壤底部采用全約束，定義重力加速度方向沿Z軸正向，大小為9.8 m/s2，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)約束施加

2.2.4 分析設(shè)置。分析的時間為0.5 s，時間步安全因素為0.9。

至此有限元前處理完成，保存工程，并導(dǎo)出LSPrePost所需的K文件。

2.3 K文件關(guān)鍵參數(shù)定義

用LSPrePost軟件對在生成的K文件關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行定義，定義的主要步驟如下。

2.3.1 創(chuàng)建SPH粒子。將建模時的中間土壤模型轉(zhuǎn)換為SPH粒子，選的的Method為Solid Center，輸入土壤的密度設(shè)置為1 873 kg/m3，生成SPH粒子如圖3所示。

圖3 SPH粒子的添加

2.3.2 創(chuàng)建點組。通過*SET_NODE關(guān)鍵字，定義組1為外層土壤底面的節(jié)點，定義節(jié)點組2為所有的深松鏟節(jié)點，定義組3為所有SPH節(jié)點，定義組4為SPH的外層節(jié)點;通過*SET_SEGM關(guān)鍵字，定義組4為外層土壤內(nèi)表面，定義組5為外層土壤的外邊面。

2.3.3 定義*BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION_RIGID_ID關(guān)鍵字。定義深松鏟材質(zhì)為剛性體，速度沿著X正方向。

2.3.4 定義*BOUNDARY_SPC_SET關(guān)鍵字。深松鏟的所有自由度中除X方向都施加固定約束。

2.3.5 定義*CONTACT_AUTOMATIC_NODES_TO_SURFACE_ID關(guān)鍵字。設(shè)置SPH粒子與深松鏟有限元模型接觸方式為自動點面接觸，其中主接觸面為深松鏟，從接觸點為SPH粒子。

2.3.6 添加*CONTACT_TIED_NODES_TO_SURFACE_ OFFSET_ID關(guān)鍵字。設(shè)置SPH粒子與外層土壤進(jìn)行點面位置約束，主接觸面為外層土壤，從接觸點為SPH粒子。

2.3.7 定義*CONTROL_CONTACT關(guān)鍵字。定義SLSFAC為1，定義接觸面罰函數(shù)為1。

2.3.8 定義*CONTROL_SPH關(guān)鍵字。采用三維SPH粒子計算。

2.3.9 定義*CONTROL_TERMINATION關(guān)鍵字。設(shè)置運算結(jié)束時間為0.5 s。

2.3.10 添加深松鏟材料*MAT_RIGID_TITLE關(guān)鍵字。深松鏟為剛性材質(zhì)，定義密度為7 800 kg/m3，彈性模量約為2.1 e11Pa，泊松比為0.3。

2.3.11 添加土壤材料*MAT_FHWA_SOIL關(guān)鍵字。定義水密度為1 000 kg/m3，定義土壤的密度為1 837 kg/m3，土壤比重為2.65，定義土壤剪切模量G為2.73 MPa，體積模量為K為5.92 MPa，土壤的內(nèi)摩擦角為0.42，黏塑性參數(shù)為1.1，土壤的含水率設(shè)置為34%，內(nèi)聚力為12 KPa，定義最大主失效應(yīng)力為0.8。

2.3.12 添加*SECTION_SPH關(guān)鍵字。定義SPH粒子光滑長度為1.2。

保存修改后的K文件，利用Mechanical APDL Product Launcher中的LSDYNA求解器進(jìn)行求解運算，計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 弧形深松鏟切削土壤仿真

2.4 仿真結(jié)果分析

仿真結(jié)果顯示，深松鏟工作過程中，深松深度達(dá)到40 cm，與鏟頭接觸部分的土壤被緊密地壓縮，鏟身兩側(cè)的土壤也同時被壓縮，表層土壤在耕作過程中向上隆起，但受到弧形鏟刃的切削和壓力作用而無法呈塊狀翻起，達(dá)到了松土而不翻土的目的，同時深松后的土壤內(nèi)部較深松前要疏松。

3 結(jié)語

該研究運用三維設(shè)計軟件Pro/E建立弧形深松鏟切削土壤的三維模型，并對其進(jìn)行FEM-SPH法仿真，仿真結(jié)果與田間試驗的結(jié)果基本吻合，達(dá)到了預(yù)期的目的。

該研究建立了一種土壤深松過程模擬的新方法，為深松鏟的優(yōu)化設(shè)計提供一種新的途徑，并為土壤深松數(shù)字化設(shè)計提供新的方法。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱鳳武，王景利，潘世強(qiáng)，等.土壤深松技術(shù)研究進(jìn)展[J].吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2003，25（4）：457-461.

[2] 張剛明.光滑粒子法及其在沖擊動力學(xué)中的應(yīng)用[D].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2002.

[3] LIU G R，LIU M B.光滑粒子流體動力學(xué)——一種無網(wǎng)格粒子法[M]. 韓旭，楊剛，強(qiáng)洪夫，譯. 長沙：湖南大學(xué)出版社，2005.

[4] 袁軍. 基于土壤動力學(xué)的弧形深松鏟數(shù)字化設(shè)計[D].長春：吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)，2012.