基于ANSYS/LS-DYNA的土槽土壤深層振實機設計

2018-06-06 03:55:58張淑偉楊有剛

農機化研究 2018年6期

張淑偉，楊有剛，韓超

(西北農林科技大學機電學院，陜西楊凌 712100)

0 引言

土壤是農業生產的基礎，是農作物賴以生存的關鍵，由于長期不合理耕作導致的土壤耕層變淺、嚴重板結及犁底層硬度增加等因素，嚴重制約了土地的綜合生產能力[1]。這種土壤的特點是深層堅實度遠遠高于上層，為了在土槽中模擬這種土壤的特點進而進行深松試驗，就要人為壓實土槽中的土壤。

目前，土槽中土壤的壓實方法常采用光輥輾壓，這種方法只能壓實表層土壤，且深度越深，堅實度越小，有效壓實深度小于等于150mm[2]，不能滿足深松機在土槽中的試驗要求。因此，試驗前就要采取挖土—碾壓—回填土的分層壓實方法，工作強度高，效率低。因此，設計了一種土槽土壤深層振實機械。

為了驗證該機具的可靠性及壓實效果，需要研究振實機與土壤的相互作用。傳統的計算方法不僅繁瑣，而且計算結果往往受限于測量的精確性。有限元法作為一種先進的力學計算方法[3]，被越來越多的國內外科研工作者應用在機具與土壤的相互作用的研究中[4]。本文利用ANSYS/LS-DYNA軟件對機具關鍵部件進行模態分析與動力學仿真分析，得到了關鍵零件在實際工況下的振型和不同深度土壤的壓實情況，為振實機的結構參數優化提供了理論依據，在一定程度上縮短了機具的研發周期。

1 振實機結構設計

振實機主要由振動機架、懸掛機架、振動電機，以及多個環狀布置的頭部表面積較小的、搗土錘形成的數個振動輪構成，如圖1所示。其中，每一個振動輪又由多個搗土錘頭、輪圈和錘桿組合而成。

1.振動機架 2.振動電機 3.懸掛機架 4.振動輪

1.1 振實機工作原理

振實機工作時，土槽臺車后懸掛系統和升降系統放下振實機，并根據壓實深度和工作振幅大小，在鉛錘方向調整后升降系統(即懸掛機架的上下位置)，使振動機架能上下自由振動，不受懸掛機架的干涉。土槽臺車通過懸掛機架和振動機架牽引振動輪滾動前進，同時固定在振動機架上的振動電機使振動機架產生豎直方向的激振力，使振動輪在重力和激振力的作用下下深入土壤深處，繞鉸接點上下振動，對土槽深層土壤進行振實。

1.2 基本參數確定

振實機幅寬為1 200mm，軸向等間距分布9個振動輪，振動輪直徑為800mm；每個振動輪上沿圓周平均分布12個振動腳，振動腳尺寸為35mm×80mm；振動電機型號為YZS-30-4，振動頻率為25Hz，最大激振力為30kN。

2 有限元分析

ANSYS/LS-DYNA 是世界上最著名的通用顯示非線性動力分析程序之一，能夠模擬各種復雜幾何非線性(大位移、大轉動和大變形)、材料非線性和接觸非線性問題[5]。利用ANSYS/LS-DYNA求解的基本步驟如圖2所示。

圖2 ANSYS/LS-DYNA求解基本步驟

2.1 土壤本構模型

土壤的本構關系直接影響著問題的求解精度。土壤屬于顆粒狀材料，受壓屈服強度遠大于受拉屈服強度。振實機與土壤相互作用過程中，既對土壤產生剪切作用，又使土壤體積產生變化。本文在研究振實機與土壤相互作用的過程中，采用Drucker-Prager土壤本構模型，該本構模型是基于Mohr-Coulomb準則的修訂。

楊凌地處陜西關中平原中部，該區域常見的耕作土地類型屬于塿土[6]，土壤模型所需參數如表1所示。

表1 有限元模型中的土壤性能參數

2.2 有限元模型導入

由于ANSYS軟件對于三維實體模型的建模過程比較復雜，而與其它CAD軟件接口豐富，因此通常借助CAD軟件進行實體建模。本文通過Pro/E建模并保存成IGES文件，再導入到ANSYS軟件中。考慮到振動輪作業幅寬比較大且具有對稱性，因此選取其中1個振動輪來進行分析，從而提高計算效率。土壤模型為簡單的長方體，其尺寸為1 000mm×120mm×400mm。圖3為導入ANSYS中振動輪-土壤的網格劃分結果。其中，振動輪模型采用自由網格劃分方法分成四面體網格，土壤模型通過映射網格劃分方法分成六面體網格。

圖3 ANSYS軟件中的振動輪-土壤初始模型

2.3 仿真模型參數設定

對仿真模型進行如下參數設定：

1)定義振動輪模型的材料為剛性體材料模型MAT_RIGID，振動輪材料為碳素結構鋼。材料屬性如下：彈性模量為2×1011Pa，密度為7 800kg/m3，泊松比為0.3。

2)定義接觸。模擬中振動小腳要穿透土壤表面，因此定義振動輪和土壤的接觸類型為面—面侵蝕接觸(*ERODING_SURFACE_TO_SURFACE)，定義振動輪表面為Contact面，土壤表面為Target面。

3)由于實際土壤立方體尺寸足夠大，為防止振動輪與邊界約束之間的土壤在壓實過程中受到過分擠壓，本文對土壤模型表面施加無反射邊界條件來模擬無限大空間，即在土壤底部、兩側、背面施加全約束；振動輪保留沿Y軸和Z軸方向平動，繞X軸方向旋轉的自由度。

3 壓實過程仿真與結果分析

輸出模型關鍵字K文件，修改和添加ANSYS未寫入的一些分析中所需的信息字段，如土壤材料模型等；然后，將K文件遞交LS-DYNA程序求解，最后在后處理程序LS-PrePost中打開結果文件，進行數據分析。

3.1 壓實過程分析

振實機壓實土壤過程中，振動電機帶動振動輪振動，當振動輪工作頻率與振動輪固有頻率接近時，就會產生共振現象，振動輪就會發生變形或破壞，影響機具的工作穩定性。因此，在對振實機進行動力學分析前，首先應對振動輪進行模態分析。在ANSYS中選用Block Lanczos法提取振動輪的前5階模態，結果如表2所示。

表2 振動輪前5階固有頻率

Table 2 1st to 5th natural frequencies of the vibrating wheel Hz

階次頻率10.0535220.0546330.0546540.0595950.08078

根據土壤壓實理論共振學說，振動輪的激振頻率在被壓實土壤的固有頻率范圍內的壓實效果最好。實踐證明：振動頻率在25～50Hz時可獲得最大的壓實力[7]。由以上模態分析結果可知：振動輪的固有頻率遠遠小于其工作頻率范圍，所以工作過程中不會發生共振現象，滿足設計要求。圖4為振動輪在以0.5km/h的速度前進，以25Hz的振動頻率壓實土壤的過程。振動輪在自身重力和激振力的作用下，振動輪上的振動小腳逐漸深入土壤；當振動小腳與水平面平行時，此時振動輪到達土壤最深處，即土壤沉降量達到最大值，土壤最大應力為483.3kPa。

圖4 振動輪壓實土壤過程

3.2 不同深度土壤應力分析

為了驗證振實機對深層土壤的振實效果，采用同樣的方法對光輥碾壓土壤進行仿真分析，得到光輥以0.5km/h的牽引速度碾壓土壤時不同深度土壤的應力分布云圖，如圖5所示。

圖5 光輥壓實土壤過程

由圖5可以看出：土壤應力分布規律為輪子兩端土壤應力最大，為193.6kPa；中間土壤應力小。在土壤某一深度選取多個點取平均值后得到這一深度的土壤應力，與振實機作用下土壤應力分布做對比分析，如圖6所示。由圖6可以看出：兩者的變化規律基本相同，隨著土壤深度的增加，土壤應力不斷減小，5～10cm之間兩者土壤應力變化最大，20cm以上厚度光輥作用下土壤應力下降的比較快，而振實機作用下的土壤應力下降的比較緩和，說明振實機對深層的土壤壓實效果優于光輥碾。一方面，振動輪上的振動小腳表面積小，能夠深入土壤深層進行作用；另一方面，振動輪的振動作用使土壤顆粒之間的內摩擦力減小，使得土壤更容易被壓實。