基于ANSYS/LS-DYNA的碎土型犁體曲面仿真優化

摘要：由于缺乏從動力學上考慮犁體曲面的形成因素對牽引阻力和翻垡性能的影響，使犁體曲面設計研究受到限制。為此，采用ANSYS/LS-DYNA建立碎土型犁體曲面作業動力學仿真模型，并進行物理試驗驗證后，利用該模型分別進行鏵刃角、起土角、導曲線兩端點切線夾角（簡稱切線夾角）和高度與開度比（簡稱高開度比）的單因素仿真試驗，分析各因素對牽引阻力和翻垡性能的影響規律和影響機理，為犁體曲面的優化設計提供一定的依據。試驗結果表明，建立的碎土型犁體曲面作業動力學仿真模型精度較高，當鏵刃角為38°，起土角為23.76°，切線夾角為108.462°，高開度比為1.765時，牽引阻力最小;當鏵刃角為42.8°，起土角為26.06°，切線夾角為114.67°，高開度比為1.78時，翻垡性能最強。

關鍵詞：碎土型犁體曲面;模型;作業仿真;單因素;優化

中圖分類號：S222.12+1 文獻標識號：A 文章編號：1003-4374（2022）01-0056-05

Simulation Optimization of Plough Surface of Broken soil Type Based on ANSYS/LS-DYNA

Liao Li

（Guangxi Agricultural Vocational and Technical University，Nanning，Guangxi 530007，China）

Abstract： The design of plough surface is limited by the lack of dynamic consideration of the influence of forming factors of plough surface on traction resistance and tilting performance. To this end，ANSYS/LS-DYNA was used to establish the operation dynamic simulation model of the plough surface，and after physical test verification，the model was used to carry out single factor simulation tests of the blade angle，the soil lifting angle，the tangent angle between the two ends of the guide curve （referred to as the tangent angle） and the ratio of height to openness （referred to as the high openness ratio）. The influence law and mechanism of each factor on traction resistance and tilting performance are analyzed，which can provide a certain basis for optimal design of plough body surface. The experimental results show that the dynamic simulation model of the plough surface operation is of high precision. When the blade angle is 38°，the soil lifting angle is 23.76°，the tangent angle is 108.462°and the high openness ratio is l.765，the traction resistance is the least. When the blade edge angle is 42.8°， the soil lifting angle is 26.06°，the tangent angle is 114.67° and the high openness ratio is 1.78°，the tilting performance is the best.

Key words： plough surface of broken soil type，model，job simulation，single factor，optimization

農業耕作過程中，土壤的翻垡和覆蓋主要靠鏵式犁來完成，將農田表層土壤，包括雜草、殘茬、肥料等翻埋到下層，并將深層土壤疏松后翻至上層，作業過程主要依靠犁體曲面來實現。[1]犁體曲面是鏵式犁的主要受力作業部分，其幾何特征、設計方法及制造工藝對鏵式犁的翻垡性能、功率消耗和作業質量等有很大的影響。目前，犁體曲面設計方法已從傳統經驗設計向數字化設計發展，國內外已用解析法等提出了多種曲面設計數學模型，這些模型可解決曲面優化設計時高度非線性求解難題，求解時間大為減少。另外曲面設計和研究中也引入了有限元仿真技術等[2—4]。上述研究并沒有從動力學上考慮犁體曲面形成因素對牽引阻力和翻垡性能的影響，使得曲面設計研究受到限制。本文先采用ANSYS/LS-DYNA建立碎土型犁體曲面作業仿真模型，并進行物理試驗驗證，后利用該模型分別進行鏵刃角、起土角、切線夾角和高開度比的單因素仿真試驗，分析各因素對牽引阻力和翻垡性能的影響規律和影響機理。

1 仿真建模

1.1 幾何模型

將文獻[5]犁體曲面三維模型，通過PROE與ANSYS的接口模塊導入ANSYS/LS-DYNA中，碎土型犁體曲面作業動力學仿真幾何模型如圖1所示。其中，根據實際耕翻情況，為了減少計算時間，建立土垡模型代替耕地土壤，土垡模型的長×寬×深取100 cm×40 cm×30 cm，土垡水平放置。

1.2 材料模型

土壤采用塑性隨動材料模型（*MAT_PLAS-TIC_KINEMATIC）。根據廣西土質情況和參考文獻的測定[6]，土壤材料屬性參數：土壤密度為1.78×103 kg/m3，彈性模量為4.5×107 Pa，泊松比0.35，屈服應力為8.5×105 Pa，切線模量為1.2×106 Pa，失效應變為0.8，應變率為40和5。

根據相關文獻[7]，犁曲面材料為16 Mn，采用各向同性線彈性模型（*MAT_ELASTIC），密度為7.81×10-6 kg/mm3，彈性模量為2.0×105 N/mm2，泊松比為0.3。

1.3 FEM模型

犁體曲面和土垡模型選擇SOLID164三維實體單元作為單元類型，為避免出現沙漏和負體積，采用全積分算法。模型不規則的犁體曲面采用自由網格劃分方法，而土垡模型采用MAP方法劃分。因為網格數影響計算精度和效率，本文的犁曲面和土垡單元數分別為2440和125000。碎土型犁體曲面作業仿真有限元模型如圖2所示。

1.4 定義接觸和施加載荷

犁體曲面與土垡之間的接觸采用面面侵蝕自動接觸。犁體運動方向為X軸的負方向，并約束其V、Z方向平動自由度。土垡下底面和Y軸負方向側面全約束。犁作業速度為0.385 m/s。犁體曲面作業仿真如圖3所示。

2 模型驗證

2.1 試驗條件

試驗地是一塊已收獲了玉米的地，該地土壤硬度為18.741 kg/cm3，土壤密度為1.78×10-3 kg/cm3。

2.2 試驗設備

本次試驗采用1LZ-335E鏵式犁，由于該犁每個犁鏵的結構都是相同的，為了便于驗證，本文以圖4的單犁鏵為研究對象。數據采集設備為東華測試的DH-5937測試分析儀。

2.3 試驗方法

為提高驗證的精度，以犁主梁的水平拉力為依據，采用全橋方法，在主梁的上平面和下底面對應位置固定應變片，測量對象取軸向產生的應變量。

2.4 仿真與物理試驗結果比較

本文犁的牽引阻力實測平均值與仿真值比較，相對誤差5.267%。分析原因主要是犁實際耕翻過程復雜，犁側板阻力在仿真模型中沒有體現，物理試驗比仿真試驗結果大一些，但誤差是可以接受的，表明建立碎土型犁體曲面作業動力學仿真模型精度較高。

3 結果與分析

3.1 試驗因素與試驗指標

本文的試驗因素為鏵刃角、起土角、切線夾角和高開度比，每個因素皆取五水平。除考慮因素外，試驗時其他因素皆取三水平。試驗指標為牽引阻力和翻垡性能。翻垡性能由土垡翻轉后其重心橫坐標是否位于其倒下后穩定狀態區域內來定。土垡翻垡性能界定如圖5所示，耕深a=25 cm，耕寬b=35 cm，Y軸為耕寬，Z軸為耕深，土垡倒下后位于穩定狀態區域，坐標為（60，77.5）。

3.2 單因素試驗

3.2.1 鏵刃角 鏵刃角分別為38°、40°、42°、44°和46°時，進行仿真試驗。

鏵刃角與牽引阻力的關系曲線如圖6所示。由圖6可知，鏵刃角與牽引阻力趨于線性關系。在犁翻作業中，鏵刃角作用是從側縱向切土，同時進行橫向推土。鏵刃角越大，土垡越不容易通過犁體曲面，其重心高度增加，翻轉時位移也變大，犁體曲面增加做功，因此牽引阻力也增大。

鏵刃角與翻垡性能的關系曲線如圖7所示。由圖7可知，鏵刃角與翻垡性能呈開口向下的拋物線關系。當鏵刃角為42.8°時，翻垡性能最大，達到72.4，鏵刃角繼續變大，曲面碎土性能增加，翻垡性能減小。

3.2.2 起土角 起土角分別為20°、22.5°、25°、27.5°和30°時，進行仿真試驗。

起土角與牽引阻力的關系曲線如圖8所示。由圖8可知，起土角與牽引阻力呈開口向上的拋物線關系。當起土角為23.76°時，牽引阻力最小，達到6.157;當起土角變大時，土垡受擠壓，克服變形所做的功變大時，并且土垡翻垡速度也變大，消耗動能增大，因此牽引阻力增大較快。

起土角與翻垡性能的關系曲線如圖9所示。由圖9可知，起土角與翻垡性能呈開口向下的拋物線關系。起土角是犁體曲面形狀的一個重要影響因素，因此其對翻垡性能影響較大。當起土角較小時，犁曲面平緩，垡片變形小，土垡不容易翻轉，其翻垡性能較小，當起土角為26.06°時，翻垡性能最大，達到74.177，起土角繼續變大，土壤破碎變大，土垡塑性變形大，翻垡性能減小。

3.2.3 切線夾角 切線夾角分別為102°、107°、112°、117°和122°時，進行仿真試驗。

切線夾角與牽引阻力的關系曲線如圖10所示。由圖10可知，切線夾角與牽引阻力呈開口向上的拋物線關系。當切線夾角較小時，犁胸上部平緩，土垡重心高度變大，犁耗能增大，并且土垡翻轉位移也增大，犁做功增大，因此牽引阻力較大;當切線夾角為108.462°時，牽引阻力最小，其值為6.144;當切線夾角變大時，犁胸迅速變陡，對土壤擠壓變大，土垡翻轉速度變大，耗能增加，因此牽引阻力也變大。

切線夾角與翻垡性能的關系曲線如圖11所示。由圖11可知，切線夾角與翻垡性能呈開口向下的拋物線關系。當切線夾角逐漸增大時，犁胸上部漸平緩，土垡比較容易上升，其覆蓋能力變大;翻垡性能逐漸變大;當切線夾角為114.67°時，翻垡性能最大，達到72.68;當切線夾角繼續變大時，犁曲面翼部扭曲大，土垡覆蓋能力變大，但是因犁胸變陡，翻垡性能減小。

3.2.4 高開度比 高開度比分別為1.6、1.68、1.75、1.82和1.9時，進行仿真試驗。

高開度比與牽引阻力的關系曲線如圖12所示。由圖12可知，高開度比與牽引阻力呈開口向上的拋物線關系。當導曲線高度值一定時，導曲線開度值大時，犁胸平緩，土垡翻轉位移大，犁做功大，牽引阻力較大，當高開度比增大，達到1.765時，牽引阻力減小到最小，其值為6.177;當高開度比繼續增大時，犁胸逐漸變陡，對土垡的擠壓變大，土垡運動速度變大，耗能也變大，牽引阻力也逐漸變大。[8-9]

高開度比與翻垡性能的關系曲線如圖13所示。由圖13可知，高開度比與翻垡性能呈開口向下的拋物線關系。因為犁體曲面形狀和土垡變形情況共同決定翻垡性能的強弱，且高開度比是犁體曲面形狀的一個重要影響因素，高開度比對翻垡性能有重要影響。當導曲線高度值一定時，開度值較大，犁曲面平緩，土垡不容易翻轉，翻垡覆蓋能力較低;當高開度比增大到1.78時，翻垡性能達到最大，其值為73.665;當高開度比繼續減小時，犁胸變陡，對土垡擠壓加大，翻轉時土垡塑性變形變大，犁曲面碎土能力較強，其翻垡性能減弱。

4 結論

（1）利用ANSYS/LS-DYNA建立了碎土型犁體曲面作業動力學仿真模型，并通過物理試驗驗證了該模型的精度。

（2）鏵刃角為38°，起土角為23.76°，切線夾角為108.462°，高開度比為1.765，牽引阻力最小。鏵刃角為42.8°，起土角為26.06°，切線夾角為114.67°，高開度比為1.78，翻垡性能最強。研究結果可為犁體曲面的優化設計提供一定的依據。

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