基于LS-dyna的油菜靴鞋式开沟器工作阻力动态仿真

张建，王颖，王淑红

(1.毕节市工业学校，贵州 毕节　551700；2.长风科技有限责任公司,甘肃 兰州　730000；

3.兰州工业学院,甘肃 兰州　730000 )

基于LS-dyna的油菜靴鞋式开沟器工作阻力动态仿真

张建1，王颖2，王淑红3

(1.毕节市工业学校，贵州 毕节551700；2.长风科技有限责任公司,甘肃 兰州730000；

3.兰州工业学院,甘肃 兰州730000 )

摘要：开沟器是油菜播种机的核心部件，影响播种机的工作性能和油菜出芽率.为了改善开沟器的入土性能和减小开沟器工作阻力，本文运用LS-dyna软件对小型手扶式油菜播种机的开沟器切削土壤进行了仿真，对比分析了4中不同刃口开沟器的工作阻力.结果表明：在其它参数和约束条件相同的条件下，开沟器以3 km/h前进时，锐角式开沟器的工作阻力小于钝角式开沟器；刃口为曲线的锐角式开沟器的工作阻力小于刃口为直线的锐角式开沟器；刃口为下凸曲线的锐角式开沟器的工作阻力小于刃口为上凸曲线的锐角式开沟器.

关键词：油菜；靴鞋式开沟器；LS-dyna；刃口；阻力

第一作者：张建(1979-) ，男，硕士，讲师，研究方向农业机械化.E-mail：zhangjianwy@yeah.net

油菜播种机开沟器的功用主要是在播种机工作时，开出种沟，引导油菜籽粒和肥料进入沟内，并使湿土覆盖油菜籽粒和肥料.一个好的开沟器应满足工作过程中阻力小且节省动力消耗，因此必须考虑土壤与开沟器接触作用以及土壤相互之间的群体作用.为改善开沟器工作过程中的入土性能、切土性能和工作阻力，本文选用一种靴鞋式开沟器为研究对象，采用LS-dyna软件对油菜播种机的开沟器工作过程进行三维仿真，通过理论计算验证了该模拟方法是可行合理的[1-3].

1仿真模型

1.1　土壤模型

本文仿真过程中土壤模型尺寸为：100 mm×100 mm×100 mm，材料采用LS-dyna中的MAT147(MAT_FHWA_SOIL)，该模型采用修正的Mohr-Coulomb屈服准则.

(1)

式中：F为模型屈服表面力，N；p为压力，N；φ为内摩擦角，(°)；J2为应力偏张量的第2不变量；K(θ)为应力罗德角函数，c为黏聚力，N；α为定义修正后屈服面和标准Mohr-Coulomb屈服面之间贴近程度的参数.当α=0时，式(1)恢复为标准Mohr-Coulomb准则[4-6].

结合贵州毕节地区的土壤特性(黄棕壤)[7]，土壤模型的主要参数取值如表1所示，其余参数值参照MAT_FHWA_SOIL中的默认值，单位采用g、mm、ms、MPa单位制.

表1　土壤材料的主要参数

1.2　开沟器模型

Solidworks和Ls-dyna的系统默认坐标系都是笛卡尔坐标系，因此建立的模型导入时视图方向不发生变化.为了减少计算时间和提高计算精度，本文采用Solidworks软件按1∶1建立油菜播种机开沟器实体简化模型，如图1-A~D.

1.3　仿真模型的设定

1)开沟器和土壤使用SOLID164单元，用lagrangian算法求解，通过细化网格和添加约束适当减少沙漏变形.

图1　仿真模型Fig.1　The simulation model

2)定义开沟器的材料为刚性体模型MAT_RIGID,材料的密度为7.82×10-3g/mm3,弹性模量为2.11×105MPa，泊松比为0.288，并添加沿y和z方向的位移的自由度为零，所有旋转的自由度为零；在仿真过程中为了防止土壤被挤走，在土壤模型表面添加边界约束，土壤底部添加全约束，左侧添加UX=0.

3)由于模拟过程中，开沟器要穿透土壤，因此定义开沟器和土壤的接触类型为Surface to Surface中的Eroding(ESTS)，Contact部件为开沟器，Target部件为土壤.

4)开沟器沿y正方向的速度为0.84 mm/ms.

5)根据油菜条播的播种深度25~40 mm[1]，本文取30 mm，即开沟器对土壤的最大切削深度为30 mm.

6)开沟器模型采用自由扫掠网格法划分网格，土壤模型采用映射网格法划分为六面体网格.

1.4　MAT_147材料K文件修改

由于在ANSYS/LS-dyna软件中无材料MAT_147，因此要对ANSYS/LS-dyna中生成的K文件修改后传递给LS-dyna971进行求解，修改MAT_147材料的主要参数为：土壤密度、体积模量、剪切模量、内摩擦角、黏聚力和含水率，其余参数参照MAT_FHWA_SOIL中的默认值.

2结果与分析

该仿真过程的时间设为65 ms，开沟器工作时，将部分土壤升起、抛翻、推挤或挤压，形成沟痕.开沟器沿x轴正方向以3 km/h前进时，对土壤切削仿真过程中，开沟器-土壤模型的阻力云图如图2~4(其中左图为刃口是直线的锐角式开沟器，右图为刃口是直线的钝角式开沟器).从图2~4中可以看出，在同一时刻，刃口是直线的锐角式开沟器的工作阻力小于刃口是直线的钝角式开沟器的工作阻力，这是由于钝角式开沟器对先接触的土壤有松土作用，钝角式开沟器对先接触的土壤有压实作用；不论刃口是直线的锐角式开沟器还是刃口是直线的钝角式开沟器，它们的工作阻力都经历着由小增大，再由大减小，最后到平稳，这是由于锐角式开沟器工作时与开沟器接触的部分土壤有上升趋势，而钝角式开沟器工作时与开沟器接触的部分土壤有下行趋势，因而前者的工作阻力要小于后者的工作阻力，但随着开沟器的前进，它们的工作阻力趋于平稳；刃口是直线的锐角式开沟器的最大工作阻力为12.7 N,刃口是直线的钝角式开沟器的最大工作阻力为12.9 N.图5~7为锐角式(左边图为刃口是下凸，右边图为刃口上凸)工作时的阻力云图.从图5~7中可以看出，在同一时刻，刃口为下凸的锐角式开沟器的工作阻力比刃口为上凸的锐角式开沟器的工作阻力小，这是由于刃口为下凸的锐角式开沟器在运行时候与土壤接触的面积要小.从图2~7纵向对比可以看出，刃口为曲线的开沟器的工作阻力比刃口为直线的开沟器工作阻力小.

图2　12 ms时的切削阻力Fig.2　The picture of cutting resistance in 12 ms

图3　22 ms时的切削阻力 Fig.3　The picture of cutting resistance in 22 ms

图4　63 ms时的切削阻力Fig.3　The picture of cutting resistance in 22 ms

图5　12 ms时的切削阻力 Fig.5 The picture of cutting resistance in 12 ms

图6　22 ms时的切削阻力 Fig.6　The picture of cutting resistance in 22 ms

图7　63 ms时的切削阻力Fig.7　The picture of cutting resistance in 22 ms

3理论分析

油菜播种机开沟器正常工作时的工作阻力应小于拖拉机的额定牵引力，按照犁铧式计算土壤阻力[1]:

(2)

式中：PT为常用耕速下，拖拉机的额定牵引力N；n为配套犁体数，取1；ηt牵引力利用系数，一般取0.80~0.95，取0.9；α为按农业技术要求确定的油菜播深，条播深度25~40 mm，本文取30 mm；b为单犁体耕宽，本文取平均宽度7 mm；K为土壤比阻，取60 kPa.由式(2)计算出单个开沟器的土壤切削阻力为12.1 N.

由此可见，通过公式计算的切削阻力值与有限元模拟得到的结果基本吻合，故该切削模型可用于估算整机工作时的切削阻力，同时也验证了该模拟方法是可行合理的.

4结论

本文对开沟器—土壤模型简化处理，通过对开沟器、土壤材料的合理选取，建立了开沟器—土壤切削有限元模型，利用ANSYS/LS-dyna软件进行了土壤切削的仿真，得到以下结论：

1)锐角式开沟器的工作阻力小于钝角式开沟器的工作阻力.

2)刃口为曲线的开沟器的工作阻力小于刃口为直线的开沟器的阻力.

3)刃口为下凸的锐角式开沟器的工作阻力小于刃口为上凸的锐角式开沟器的工作阻力.

4)模拟过程中选取的土壤参数和施加的边界条件是影响结果精度的主要因素，而如何更合理选取土壤参数和施加边界条件，使模拟结果与实际结果更好地吻合，还需要深究.

参考文献

[1]中国农业机械化科学研究院.农业机械化设计手册·上册[M].北京：中国农业科学技术出版社，2007：300-368

[2]于建群，钱力彬，于文静,等.开沟器工作阻力的离散元法仿真分析[J].农业机械学报:2009，40(6)：53-57

[3]周明，张国忠，姚兴林.有限元法在土壤切削过程模拟中的应用[J].农机化研究,2009(9)：190-193

[4]杨望，蔡敢为，杨坚.土壤直剪试验的动力学仿真[J].农业机械学报:2011，42(7)：96-101

[5]夏俊芳，何小伟，余水生,等.基于ANSYS/LS-DYNA的螺旋刀辊切削有限元模拟[J].农业工程学报:2009，40(6)：53-57

[6]薛子萱，吕新民，唐卫卫.螺旋刀具土壤切削过程模拟分析[J].农机化研究:2011(4)：13-16

[7]涂成龙，张玉彪，刘丛强,等.典型岩溶区域主要土壤类型分布特征与表层土壤保有量估算[J].生态学杂志:2012，31(3)：620-625

(责任编辑李辛)

版权声明

为扩大本刊及作者知识信息交流渠道，加强知识信息推广力度，本刊已许可中国学术期刊(光盘版)电子杂志社在CNKI中国知网及其系列数据库产品中，以数字化方式复制、汇编、发行、信息网络传播本刊全文。该著作权使用费及相关稿酬，本刊均用作为作者文章发表、出版、推广交流(含信息网络)以及赠送样刊之用途，即不再另行向作者支付。凡作者向本刊提交文章发表之行为即视为同意《甘肃农业大学学报》编辑部上述声明。

Working resistance dynamic simulation of coleseed boot- type colter during soil cutting based on LS-dyna

ZHANG Jian1,WANG Ying2,WANG Shu-hong3

(1.Bijie Polytechnic School,Bijie 551700,China;2.Changfeng Science and Technology Ltd Co，Lanzhou 730000,

China;3.Lanzhou Institute of Technology,Lanzhou,730000,China)

Abstract：Colter is the core component of coleseed seeder,which affects the working performance of seeder and coleseed seeder sprouting.In order to improve the soil piercing performance and reduce the working resistance of the colter.the colter cut soil about small working coleseed seeder was used by the LS-dyna software in this paper,working resistance of four different cutting edge shape colter was compared and analyzed.The results show that under the colter with 0.84 m/s,the work resistance of the acute angle colter is smaller than the work resistance of the obtuse angle coler,the work resistance of the acute angle colter of the curve cutting edge shape is smaller than the work resistance of the obtuse angle coler of the straight line cutting edge shape,the work resistance of the acute angle colter of the lower convex curve cutting edge shape is smaller than the work resistance of the obtuse angle coler of the upper convex curve cutting edge shape.

Key words：coleseed;boot-type colter;LS-dyna;cutting edge；resistance

收稿日期：2014-06-19；修回日期：2014-10-09

中图分类号：S 223.2+5

文献标志码：A

文章编号：1003-4315(2015)04-0156-04