基于LS—DYNA茶園立式旋耕刀具土壤切削過程模擬

王敏等

摘要：為了降低耕作功耗，優化茶園管理機立式旋耕裝置的結構與性能，根據立式旋耕刀具切削土壤的工作特點，利用ANSYS/LS-DYNA971顯式動力分析軟件對立式旋耕刀具土壤切削過程進行模擬，得出了立式旋耕刀具切削土壤的等效應力的變化規律、切削能耗的大小以及切削功率消耗。數值模擬結果表明，刀具轉速為300 r/min，機組行進速度為0.15 m/s，耕深為0.1 m時，立式旋耕刀切削土壤的平均功耗為2.78 kW，且土壤最大等效應力發生在刀剛入土時的刀刃處。通過與試驗結果比較，發現模擬數值與試驗值吻合良好，這表明該數值分析方法是有效的，可用來指導立式刀具切削土壤的進一步研究，并為茶園管理機旋耕裝置優化設計提供可靠的依據。

關鍵詞：立式旋耕；顯式動力分析；土壤切削；動力學分析；仿真模擬

中圖分類號： S222.19文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2015）09-0422-04

隨著茶園管理機械的發展，人們逐步認識到茶園耕作不僅可以疏松土壤、提高土壤肥力、增加土壤有機質，而且可以促進茶樹根系發育生長，提高茶葉嫩芽的品質和產量[1]。根據茶園土壤的特點，設計結構簡單、部件緊湊、能耗較小的立式旋耕裝置很有必要。立式旋耕裝置具有旋耕除草、深松等功能。研究耕作部件的土壤切削問題的目的是為了減少阻力以降低能耗[2]。切削土壤的研究方法有試驗、數學模擬2種。早期，研究土壤切削主要是借助試驗來完成的，但研究所需經費多、周期較長，并且受環境因素影響大。近半個世紀以來，數學模型模擬土壤切削過程研究發展迅速。數學模擬切削土壤方法主要包括：傳統分析方法、離散單元法（distinct element method，DEM）、有限單元法（finite element method，FEM）[3]。傳統分析方法帶有局限性，且模型有較大的缺陷，不適用不同耕作部件形狀。徐泳等提出了采用基于顆粒接觸力學原理的數值模擬新思路[4]。在有限元方面，馬愛麗等、薛子萱等提出采用有限元法對螺旋刀具切削土壤過程進行數值模擬[5-6]。姜濤等就松土刀具切削土壤的過程進行了三維動態仿真[7]。近年來用有限元方法研究土壤切削特征取得了較大進展。有限元法已成為研究耕作部件對土壤高速切削問題的有效工具。本研究運用ANSYS/LS-DYNA進行立式旋耕刀具切削土壤的顯示動力學分析，旨在揭示刀具與土壤之間的作用機理，從而為茶園立式旋耕裝置的優化設計、節約能耗提供理論依據。

1有限元建模

1.1土壤模型

數值模擬成功與否的關鍵在于刀具與土壤的材料本構模型選擇及其參數的設置，選擇較為精確的土壤本構關系，是提高有限元模擬土壤切削過程精度的關鍵。本研究采用LS-DYNA971中提供的147號土壤材料模型MAT147（MAT_FHWA_SOIL），該模型采用修正的Mohr-Coulomb屈服準則[8]，表達式如下：

F=-psinφ+J2K（θ）2+ahyp2sin2φ-ccosφ=0。

式中：F為模型屈服表面力；p為壓力；φ為內摩擦角；J2為應力偏張量的第2不變量；K（θ）為應力羅德角函數；c為黏聚力；ahyp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。當ahyp=0時，上式恢復為標準Mohr-Coulomb準則。另外，該模型同時考慮了塑性硬化、塑性軟化、應變速率效應、孔隙水壓力效應，相對LS-DYNA提供的其他土壤模型，其仿真結果更加準確。土壤模型的主要參數取值如表1所示[9]，其余參數值參照LS-NYNA971中MAT147默認值。

顯示動力學分析對計算機性能要求比較高，為了減少計算時間，只取局部的土壤材料進行仿真建模，建立土壤的模型為內部有空心半圓弧狀的長方體，內半圓半徑為0.20 m，深度為0.15 m，長方體模型尺寸為0.50 m×0.50 m×0.22 m。土壤單元定義為LS-DYNA Explicit單元SOLID164，采用全積分算法，以減少沙漏能。考慮仿真的精度以及計算機的運算能力，對離刀具較近的土壤進行網格細化，其余土壤網格劃分相對較粗，采用掃掠形式劃分網格。

1.2刀具的有限元模型

立式旋耕刀具由刀盤、刀片組成，由于刀片的結構較為復雜，在ANSYS中直接建模比較困難，因此在功能強大的Pro/E中建模顯得更為方便，將刀具模型保存為IGS格式再導入ANSYS中進行下一步處理（圖1）。

刀具單元同樣定義為SOLID164單元，采用全積分算法。表1部分土壤參數

定義刀具材料為剛性體模型[10]，可以忽視刀具的變形及磨損，也無需考慮刀具實體模型定義多少節點，從而大幅節省計算時間。約束剛性體x、y方向位移和x、z方向的旋轉，采用自由網格方式劃分網格。立式刀具切削土壤的有限元模型如圖2所示。

1.3邊界條件與載荷

約束土壤模型2個側面所有方向的位移，即Ux=0，Uy=0，底面位移Uz=0。為避免邊界處波的反射對求解域產生影響，對土壤外端面施加無反射邊界條件（*BOUNDARY_NON_REFLECTING）來模擬無限大的土壤。由于刀片與刀盤之間建立剛性體約束連接，通過關鍵字*PART_INERTIA來定義刀片與刀盤之間的慣性特性，約束剛體質點除繞對稱軸旋轉以外的其他4個自由度（x、y方向的平動以及繞x軸、z軸的轉動）。給刀具定義顯式分析的載荷，其中刀具在z方向的初速度為0.15 m/s；刀具繞y軸旋轉的動力載荷旋轉速度為300 r/min。

1.4接觸確定

侵徹分析的重點，不在于關鍵字的設置[11]。事實上，K文件中需要重點注意的僅僅是接觸定義（*CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE）。ANSYS/LS-DYNA程序中，接觸類型可以分為3類，即單面接觸、節點-表面接觸、表面-表面接觸，刀具與土壤的接觸可以看作剛體和柔體的侵蝕面面接觸（*ERODING_SURFACE_TO_SURFACE），將刀具定義為接觸Part，土壤定義為目標Part。在切削過程中，土壤發生了非常顯著的非線性破壞，土壤單元不斷失效，內部新土壤單元不斷繼續與刀具發生接觸。侵蝕接觸的目的是保證模型外部的單元失效被刪除以后，剩下的單元依然能夠與刀具接觸，因此，在仿真中采用罰函數的侵蝕接觸算法類型。在切削過程中，考慮到刀具與土壤之間的摩擦，設定摩擦因數為0.05。endprint

2結果與分析

事實上除了ANSYS之外，支持LS-DYNA求解程序的前處理軟件還有很多，比如FEMB、HYPERMESH、PATRAN等，雖然各種前處理程序的建模操作方法各不相同，但是在建模完成后，都將輸出1個格式統一的關鍵字文件（K文件）以遞交LS-DYNA求解器開始顯示動力分析。該研究需對K文件內容作一些修改（如土壤材料模型和載荷等信息）以后再遞交給 LS-DYNA971軟件求解，進而對切削過程進行仿真研究。仿真研究旨在模擬求解刀具切削過程中的功率消耗以及切削過程中土壤等效應力的變化情況。

2.1切削過程

圖3為刀具以300 r/min的速度轉動，以0.15 m/s的速度前進來切削土壤的過程。切削過程中，刀具的刀刃部分首先與土壤發生接觸，在刀具的切削下，土壤因受剪切和擠壓而被破壞，被破壞的土壤邊界呈半圓弧形。隨著立式刀具的旋轉以及不斷進給，刀具對土壤的銑削作用顯示出來，隨著刀具對土壤的連續切削，破壞的土壤被刀具的慣性帶到后方，新的土壤與刀具發生接觸，土壤模型中的土塊逐漸被打碎，從而達到旋耕碎土的要求。

2.2土壤應力變化

當立式刀具的切削力作用在土壤上時，土壤率先發生形變，隨切削力的增大，變形量也增大，直至土壤被破壞，切削力趨于穩定值。第1個切削周期內，不同時刻土壤的Von Mises Stress分布如圖4所示。在立式刀具切削土壤過程中，各時間段土壤最大應力都發生在刀具的刀刃處，而且都在刀具剛切入土壤的部分，這個地方的土壤受到的擠壓最強烈。

2.3切削能耗分析

在切削過程中，總的能耗包括維持刀具葉片的旋轉及其直線運動所需的動能和刀具與土壤相互作用的內能。由圖5可知，剛開始切削時，總能量為0，這是由于刀具與土壤模型之間有一小段距離，刀具尚未與土壤接觸；隨著切削的進行，總能量逐漸增大且變化逐漸趨于平穩，這主要是因為刀具開始切削土壤，總能量逐漸增大，且土壤顆粒在初始被破壞后相互之間的結合力減小，而立式刀片還未接觸到新的土壤層，總能量變化速度放緩。將總的能耗曲線對時間求導，可得到功率隨時間變化曲線圖，如圖6所示。功率消耗主要隨克服土壤變形和刀具運動的功率消耗變化而變化，在刀具剛接觸土壤時功耗迅速增加，后續增長幅度變小；當刀片切出土壤時，功耗迅速降低；隨著刀片切入和切出土壤，功耗曲線成周期性變化，功率趨于平穩，平均功耗為2.78 kW。

3試驗驗證

3.1土槽試驗裝置

為了驗證仿真結果的準確性，在江蘇大學農機實驗室室內土槽中進行了試驗驗證。土槽為固定式水泥結構，長1700 m，兩軌道間距為1.60 m，土槽內裝有黏性土壤，土槽內寬1.42 m，外寬2.00 m。試驗臺主要由旋耕裝置、升降裝置、行走裝置等組成，如圖7所示。測控系統硬件部分主要由電機控制系統、數據采集系統和安裝有LabVIEW的上位機等組成。電機控制系統由控制軌道車水平移動的行走電機、控制立式刀具旋轉的旋耕電機以及變頻器等組成。數據采集系統主要由扭矩傳感器、F/V轉換模塊和NI數據采集卡6008等組成。

3.2土槽土壤處理

為了模擬現實中的茶園土壤，采用如下整土工藝[12]：人工翻土，翻土時把板結的土塊敲碎，并均勻灑水。將處理好的土壤用塑料薄膜蓋好。時效處理15 h，使土槽中的水分均勻滲透。土壤分層壓實。每層6～8 cm，每次鋪完后用自制的60 kg石磙來回碾壓3次。試驗開始前，對整理好的土槽土壤

隨機選擇5個不同點進行堅實度與含水率的測量。分別用MH-JSD土壤緊實度速測儀和烘干法測取堅實度、含水率，取5個點的平均值，所測土壤堅實度及含水率如表3所示。另外測出的土壤密度為2 456 kg/m3，土壤內聚力為0.022 MPa。其中測量含水率時對5個點分別取樣，每個點取土不少于30 g。

本研究所建土壤模型的含水率為15%，通過以上測試結果可知，所整理土槽土壤的含水率符合要求。堅實度符合《土壤動力學特性與節能耕作及機具設計》和《農業機械學》的農藝要求，可以進行試驗。

3.3土槽試驗結果

在試驗臺前進速度為0.15 m/s、耕深為0.1 m、刀具旋轉速度為300 r/min的條件下試驗，數據采集系統可采集到功率隨時間變化的曲線，如圖8所示。

由圖8可見，在刀具切削土壤過程中，試驗測得功耗平均值為2.98 kW，試驗功耗與數值模擬計算得到的功耗的誤差為7.2%，因此利用數值模擬的方法來研究立式旋耕刀具的土壤切削是合理可行的，同時也驗證了該切削模型的正確性。

4結論

本研究利用ANSYS建立了立式旋耕刀具與土壤的切削有限元模型，運用LS-DYNA971顯式動力分析軟件對立式旋耕刀具切削土壤過程進行了數值模擬計算，得出以下結論：仿真結果與土槽試驗結果吻合良好，驗證了所構建的立式旋耕刀具切削土壤的有限元模型的正確性。采用 MAT147

（MAT_FHWA_SOIL）的土壤模型，該模型采用修正的Mohr-Coulomb屈服準則，同時考慮了塑性硬化、塑性軟化、應變速率效應和孔隙水壓力效應，相對LS-DYNA提供的其他土壤模型，其仿真的結果更加準確。考慮仿真中土壤模型大小的限制，對土壤外端面施加無反射邊界條件（*BOUNDARY_NON_REFLECTING）來模擬無限大的土壤，從而避免邊界處波的反射對求解域的影響，使結果可信度進一步提高。通過關鍵字 *PART_INERTIA 來定義刀片與刀盤之間的慣性特性，來表示刀片與刀盤之間的剛性約束極其重要。仿真過程中土壤切削的平均功率為2.73 kW，與土槽試驗結果的誤差為7.2%，說明該有限元模型可用于估算切削功耗值，進而用于指導茶園管理機的動力選型。該土壤切削模型已得到土槽試驗驗證，為今后模擬不同地區茶園的土壤切削問題打下基礎。endprint

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