深松鏟耕作土壤的建模與仿真分析

果　霖， 顧麗春， 李吉成， 張天會

(云南農業大學機電工程學院，云南昆明 650201)

土壤是農業生產中最重要的因素之一，但在傳統的農業耕作方式下，我國土壤出現了板結、沙化、蓄水保肥能力下降等問題[1-2]。土壤深松是一種破壞堅硬犁底層的保護性耕作方法，深松作業主要通過深松鏟完成，而深松鏟在深松過程中所受阻力和功耗等問題仍有一定的改進空間，且深松作業范圍較廣，因此深松效率的細微提高都具有較大的實際意義[3-4]。本研究以旱地使用的彎曲式深松鏟為對象，利用計算機仿真的方法對其深松過程進行數值模擬，通過數值模擬分析深松過程中土壤粒子的速度、應力、密度等特性的變化情況，以期為后續深松鏟的優化設計提供一定的理論依據。

1　深松原理

在深松過程中，深松鏟具將犁底層進行間隔式的破壞，形成一種相間存在的耕層鼠道構造，這種耕層鼠道構造可以有效地解決目前土壤退化、沙化、蓄水保肥能力下降等問題，提高土壤氣體交換、養分吸收、水分保持、礦物質分解的能力，從而促進農作物產量的提高以及農業的科學發展[5]。深松作業形成的耕層鼠道構造示意如圖1所示。

土壤切削可被看作土壤在外界切削作用下被分離成不同形狀的過程。相關研究指出，不同深度土壤的失效形式不同，在靠近表層的位置，土壤會被撕裂或者向上運動，土壤的失效主要是剪切失效；在較深的位置，土壤的運動方向與深松鏟的前進方向平行，土壤的失效形式主要是切削失效[5]。

2　深松耕作建模

2.1　土壤簡化模型

農田可以被看作是一塊沒有邊際的土壤，但由于受簡化模型的限制，不能將土壤模型做得過大，本研究將土壤模型簡化為一個長、寬、高分別為0.4、0.2、1.2 m的長方體，并配合相關約束條件模擬實際情況，采用有限元/光滑粒子流體動力學(finite element/smoothed particle hydrodynamics，簡稱 FE/SPH)方法對深松鏟切削土壤的問題進行分析，因此在土壤簡化模型中既含有傳統的有限元網格，也包括SPH粒子[6-7]。土壤結構簡化模型如圖2所示。

2.2　深松材料模型

土壤模型所使用的是由LS-DYNA提供的MAT147(MAT_FHWA_SOIL)材料，它是一種基于修正的Drucken_Prager模型的塑性材料。深松鏟采用65 Mn材料，其材料參數如表1所示。

表1　深松鏟材料參數

2.3　深松鏟結構模型

目前市面上深松鏟種類繁多，本研究選擇常用的旱地彎曲式深松鏟進行分析，該深松鏟由鏟柄、鏟頭等2個部分裝配組成，其主要結構尺寸為入土角23°，鏟頭寬度30 mm，刀柄刃角60°，深松深度30 mm，鏟柄曲面半徑248 mm，鏟柄曲面弧度58°。

根據深松鏟的相關結構參數，使用Freeform建立研究對象的三維參數化模型。

本研究將鏟頭和鏟柄融合到一起，建立的深松鏟三維模型如圖6所示。

3　深松耕作仿真分析

3.1　建立分析模型

本研究的分析模型是基于FE/SPH的，首先將建立的深松鏟模型導入到ANSYS中，并利用ANSYS建立拉格朗日網格土壤模型，然后利用LS-Prepost建立SPH部分模型，結果如圖7所示。

3.2　增加分析條件

理論上所研究的應該是農田中一塊無限大的土壤，但由于受到計算設備及算法等因素的限制，本研究只取1塊較小的土壤作為研究對象，這塊土壤在理論上應該是無邊界，因此須要指定土壤模型相應界面是無邊界的，本研究通過關鍵字*BOUNDARY_NON_REFLECTING設置土壤的邊界條件[8]；通過關鍵字*CONTACT_AUTOMATIC_NODES_TO_SURFACE_ID定義SPH粒子和深松鏟表面的接觸類型為自動計算；通過關鍵字*CONTACT_TIED_NODES_TO_SURFACE_ID設置SHP粒子與拉格拉日網格之間的相互連接；通過關鍵字*DEFINE_CURVE、*DEFINE_VECTOR、*BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION_RIGID等定義深松鏟的移動速度為2.0 m/s。

分析條件還涉及其他很多關鍵字，這里不再一一贅述。

4　結果與分析

通過求解計算，并對求解結果進行后處理即可得到相應的求解結果。

由圖8可知，在0.2 s左右時，即深松鏟剛進入土壤時，土壤的應力主要分布在深松鏟的前后兩側；在0.4 s左右時，土壤的應力仍主要分布在深松鏟周圍，雖然深松過的土壤也殘留了一些應力，但隨著深松時間的增加，土壤的殘余應力迅速減小。

圖9是土壤粒子密度云，將其與圖8進行對比，可以看出，經過深松鏟深松作業的位置土壤粒子密度減小，說明在土壤中形成了一條溝壑。

由圖10可知，經過深松作業之后，土壤粒子大幅增加，在短時間內土壤粒子的內能變化較小。

由圖11可知，在0.3 s之前，由于深松鏟尚未完全進入或者剛剛進入土壤，還沒有達到一個較為穩定的工作狀態，因此總能量的增加速率不斷增大；而在0.3 s之后，深松鏟已經進入較為穩定的工作狀態，此時總能量與時間呈線性遞增關系。

由圖12可知，在0.3s之前，由于深松鏟還沒有處于一個比較穩定的工作狀態，所以整個模型的動能呈增加的趨勢；而在0.3 s之后深松鏟已經進入穩定的工作狀態，此時系統的動能趨于平穩。

由圖13可知，由于模型的動能在總能量中所占的比例較小，所以模型的內能變化曲線與總能量變化曲線在趨勢上相似，在數值上接近。

由上述分析可知，在深松過程中模型能量是由外界驅動機械提供的，這些能量主要增加分析模型的內能，且當模型動能穩定時，外界提供的能量基本轉化為模型的內能，因此模型內能的變化速率也就是外界驅動機械提供能量的功率，也就是深松鏟的工作功耗。

對圖13所示的內能變化曲線進行求導得到圖14所示的曲線，該曲線即為深松鏟在深松作業時所需要的功率，可以看出，在0.3 s之后，曲線基本趨于平穩；在0.3～0.5 s之間取5個等距的時間點，在0～0.3 s之間取15個等距的時間點，然后將這20個點功率的平均值作為本試驗的功耗值，即能基本確定研究對象在深松過程中所需要的功率為14.71 kW。

5　結論

由本研究結果可知，在深松過程中，土壤會受到較大的應力，但應力會在短時間內變小；在正常的工作情況下，深松模型的動能是守恒的；外界牽引力提供的能量主要轉化為土壤粒子的內能；深松過后，深松鏟經過位置的土壤粒子密度大大降低，土壤變得松軟。分析結果可為后續深松鏟的優化設計提供理論依據。

參考文獻：

[1]王宏立，張偉. 基于Pro/E和ANSYS的深松鏟有限元分析[J]. 農機化研究，2010(12)：33-36.

[2]張祥彩，李洪文，王慶杰，等. 我國北方地區機械化深松技術的研究現狀[J]. 農機化研究，2015(8)：261-264，268.

[3]王志窮，王維新，李霞，等. 保護性耕作條件下深松技術的國內外發展現狀[J]. 農機化研究，2016(6)：253-258.

[4]王宏立，張偉. 基于Pro/E的深松鏟結構參數最優化設計[J]. 農機化研究，2011(1)：141-144.

[5]陳坤. 后掠式弧形深松鏟柄的結構優化研究[D]. 長春：吉林農業大學，2012.

[6]馬愛麗. 基于LS-DYNA果園螺旋開溝機模擬試驗研究及其優化設計[D]. 武漢：華中農業大學，2008.

[7]劉輝. 基于LS-DYNA的旱地旋耕刀工作機理研究[D]. 重慶：西南大學，2012.

[8]余泳昌，劉文藝，趙迎芳，等. 立柱式深松鏟受力數學模型及試驗分析[J]. 農業工程學報，2007，23(6)：109-113.