基于LS—DYNA茶园立式旋耕刀具土壤切削过程模拟

王敏等

摘要：为了降低耕作功耗，优化茶园管理机立式旋耕装置的结构与性能，根据立式旋耕刀具切削土壤的工作特点，利用ANSYS/LS-DYNA971显式动力分析软件对立式旋耕刀具土壤切削过程进行模拟，得出了立式旋耕刀具切削土壤的等效应力的变化规律、切削能耗的大小以及切削功率消耗。数值模拟结果表明，刀具转速为300 r/min，机组行进速度为0.15 m/s，耕深为0.1 m时，立式旋耕刀切削土壤的平均功耗为2.78 kW，且土壤最大等效应力发生在刀刚入土时的刀刃处。通过与试验结果比较，发现模拟数值与试验值吻合良好，这表明该数值分析方法是有效的，可用来指导立式刀具切削土壤的进一步研究，并为茶园管理机旋耕装置优化设计提供可靠的依据。

关键词：立式旋耕；显式动力分析；土壤切削；动力学分析；仿真模拟

中图分类号： S222.19文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）09-0422-04

随着茶园管理机械的发展，人们逐步认识到茶园耕作不仅可以疏松土壤、提高土壤肥力、增加土壤有机质，而且可以促进茶树根系发育生长，提高茶叶嫩芽的品质和产量[1]。根据茶园土壤的特点，设计结构简单、部件紧凑、能耗较小的立式旋耕装置很有必要。立式旋耕装置具有旋耕除草、深松等功能。研究耕作部件的土壤切削问题的目的是为了减少阻力以降低能耗[2]。切削土壤的研究方法有试验、数学模拟2种。早期，研究土壤切削主要是借助试验来完成的，但研究所需经费多、周期较长，并且受环境因素影响大。近半个世纪以来，数学模型模拟土壤切削过程研究发展迅速。数学模拟切削土壤方法主要包括：传统分析方法、离散单元法（distinct element method，DEM）、有限单元法（finite element method，FEM）[3]。传统分析方法带有局限性，且模型有较大的缺陷，不适用不同耕作部件形状。徐泳等提出了采用基于颗粒接触力学原理的数值模拟新思路[4]。在有限元方面，马爱丽等、薛子萱等提出采用有限元法对螺旋刀具切削土壤过程进行数值模拟[5-6]。姜涛等就松土刀具切削土壤的过程进行了三维动态仿真[7]。近年来用有限元方法研究土壤切削特征取得了较大进展。有限元法已成为研究耕作部件对土壤高速切削问题的有效工具。本研究运用ANSYS/LS-DYNA进行立式旋耕刀具切削土壤的显示动力学分析，旨在揭示刀具与土壤之间的作用机理，从而为茶园立式旋耕装置的优化设计、节约能耗提供理论依据。

1有限元建模

1.1土壤模型

数值模拟成功与否的关键在于刀具与土壤的材料本构模型选择及其参数的设置，选择较为精确的土壤本构关系，是提高有限元模拟土壤切削过程精度的关键。本研究采用LS-DYNA971中提供的147号土壤材料模型MAT147（MAT_FHWA_SOIL），该模型采用修正的Mohr-Coulomb屈服准则[8]，表达式如下：

F=-psinφ+J2K（θ）2+ahyp2sin2φ-ccosφ=0。

式中：F为模型屈服表面力；p为压力；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；ahyp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ahyp=0时，上式恢复为标准Mohr-Coulomb准则。另外，该模型同时考虑了塑性硬化、塑性软化、应变速率效应、孔隙水压力效应，相对LS-DYNA提供的其他土壤模型，其仿真结果更加准确。土壤模型的主要参数取值如表1所示[9]，其余参数值参照LS-NYNA971中MAT147默认值。

显示动力学分析对计算机性能要求比较高，为了减少计算时间，只取局部的土壤材料进行仿真建模，建立土壤的模型为内部有空心半圆弧状的长方体，内半圆半径为0.20 m，深度为0.15 m，长方体模型尺寸为0.50 m×0.50 m×0.22 m。土壤单元定义为LS-DYNA Explicit单元SOLID164，采用全积分算法，以减少沙漏能。考虑仿真的精度以及计算机的运算能力，对离刀具较近的土壤进行网格细化，其余土壤网格划分相对较粗，采用扫掠形式划分网格。

1.2刀具的有限元模型

立式旋耕刀具由刀盘、刀片组成，由于刀片的结构较为复杂，在ANSYS中直接建模比较困难，因此在功能强大的Pro/E中建模显得更为方便，将刀具模型保存为IGS格式再导入ANSYS中进行下一步处理（图1）。

刀具单元同样定义为SOLID164单元，采用全积分算法。表1部分土壤参数

定义刀具材料为刚性体模型[10]，可以忽视刀具的变形及磨损，也无需考虑刀具实体模型定义多少节点，从而大幅节省计算时间。约束刚性体x、y方向位移和x、z方向的旋转，采用自由网格方式划分网格。立式刀具切削土壤的有限元模型如图2所示。

1.3边界条件与载荷

约束土壤模型2个侧面所有方向的位移，即Ux=0，Uy=0，底面位移Uz=0。为避免边界处波的反射对求解域产生影响，对土壤外端面施加无反射边界条件（*BOUNDARY_NON_REFLECTING）来模拟无限大的土壤。由于刀片与刀盘之间建立刚性体约束连接，通过关键字*PART_INERTIA来定义刀片与刀盘之间的惯性特性，约束刚体质点除绕对称轴旋转以外的其他4个自由度（x、y方向的平动以及绕x轴、z轴的转动）。给刀具定义显式分析的载荷，其中刀具在z方向的初速度为0.15 m/s；刀具绕y轴旋转的动力载荷旋转速度为300 r/min。

1.4接触确定

侵彻分析的重点，不在于关键字的设置[11]。事实上，K文件中需要重点注意的仅仅是接触定义（*CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE）。ANSYS/LS-DYNA程序中，接触类型可以分为3类，即单面接触、节点-表面接触、表面-表面接触，刀具与土壤的接触可以看作刚体和柔体的侵蚀面面接触（*ERODING_SURFACE_TO_SURFACE），将刀具定义为接触Part，土壤定义为目标Part。在切削过程中，土壤发生了非常显著的非线性破坏，土壤单元不断失效，内部新土壤单元不断继续与刀具发生接触。侵蚀接触的目的是保证模型外部的单元失效被删除以后，剩下的单元依然能够与刀具接触，因此，在仿真中采用罚函数的侵蚀接触算法类型。在切削过程中，考虑到刀具与土壤之间的摩擦，设定摩擦因数为0.05。endprint

2结果与分析

事实上除了ANSYS之外，支持LS-DYNA求解程序的前处理软件还有很多，比如FEMB、HYPERMESH、PATRAN等，虽然各种前处理程序的建模操作方法各不相同，但是在建模完成后，都将输出1个格式统一的关键字文件（K文件）以递交LS-DYNA求解器开始显示动力分析。该研究需对K文件内容作一些修改（如土壤材料模型和载荷等信息）以后再递交给 LS-DYNA971软件求解，进而对切削过程进行仿真研究。仿真研究旨在模拟求解刀具切削过程中的功率消耗以及切削过程中土壤等效应力的变化情况。

2.1切削过程

图3为刀具以300 r/min的速度转动，以0.15 m/s的速度前进来切削土壤的过程。切削过程中，刀具的刀刃部分首先与土壤发生接触，在刀具的切削下，土壤因受剪切和挤压而被破坏，被破坏的土壤边界呈半圆弧形。随着立式刀具的旋转以及不断进给，刀具对土壤的铣削作用显示出来，随着刀具对土壤的连续切削，破坏的土壤被刀具的惯性带到后方，新的土壤与刀具发生接触，土壤模型中的土块逐渐被打碎，从而达到旋耕碎土的要求。

2.2土壤应力变化

当立式刀具的切削力作用在土壤上时，土壤率先发生形变，随切削力的增大，变形量也增大，直至土壤被破坏，切削力趋于稳定值。第1个切削周期内，不同时刻土壤的Von Mises Stress分布如图4所示。在立式刀具切削土壤过程中，各时间段土壤最大应力都发生在刀具的刀刃处，而且都在刀具刚切入土壤的部分，这个地方的土壤受到的挤压最强烈。

2.3切削能耗分析

在切削过程中，总的能耗包括维持刀具叶片的旋转及其直线运动所需的动能和刀具与土壤相互作用的内能。由图5可知，刚开始切削时，总能量为0，这是由于刀具与土壤模型之间有一小段距离，刀具尚未与土壤接触；随着切削的进行，总能量逐渐增大且变化逐渐趋于平稳，这主要是因为刀具开始切削土壤，总能量逐渐增大，且土壤颗粒在初始被破坏后相互之间的结合力减小，而立式刀片还未接触到新的土壤层，总能量变化速度放缓。将总的能耗曲线对时间求导，可得到功率随时间变化曲线图，如图6所示。功率消耗主要随克服土壤变形和刀具运动的功率消耗变化而变化，在刀具刚接触土壤时功耗迅速增加，后续增长幅度变小；当刀片切出土壤时，功耗迅速降低；随着刀片切入和切出土壤，功耗曲线成周期性变化，功率趋于平稳，平均功耗为2.78 kW。

3试验验证

3.1土槽试验装置

为了验证仿真结果的准确性，在江苏大学农机实验室室内土槽中进行了试验验证。土槽为固定式水泥结构，长1700 m，两轨道间距为1.60 m，土槽内装有黏性土壤，土槽内宽1.42 m，外宽2.00 m。试验台主要由旋耕装置、升降装置、行走装置等组成，如图7所示。测控系统硬件部分主要由电机控制系统、数据采集系统和安装有LabVIEW的上位机等组成。电机控制系统由控制轨道车水平移动的行走电机、控制立式刀具旋转的旋耕电机以及变频器等组成。数据采集系统主要由扭矩传感器、F/V转换模块和NI数据采集卡6008等组成。

3.2土槽土壤处理

为了模拟现实中的茶园土壤，采用如下整土工艺[12]：人工翻土，翻土时把板结的土块敲碎，并均匀洒水。将处理好的土壤用塑料薄膜盖好。时效处理15 h，使土槽中的水分均匀渗透。土壤分层压实。每层6～8 cm，每次铺完后用自制的60 kg石磙来回碾压3次。试验开始前，对整理好的土槽土壤

随机选择5个不同点进行坚实度与含水率的测量。分别用MH-JSD土壤紧实度速测仪和烘干法测取坚实度、含水率，取5个点的平均值，所测土壤坚实度及含水率如表3所示。另外测出的土壤密度为2 456 kg/m3，土壤内聚力为0.022 MPa。其中测量含水率时对5个点分别取样，每个点取土不少于30 g。

本研究所建土壤模型的含水率为15%，通过以上测试结果可知，所整理土槽土壤的含水率符合要求。坚实度符合《土壤动力学特性与节能耕作及机具设计》和《农业机械学》的农艺要求，可以进行试验。

3.3土槽试验结果

在试验台前进速度为0.15 m/s、耕深为0.1 m、刀具旋转速度为300 r/min的条件下试验，数据采集系统可采集到功率随时间变化的曲线，如图8所示。

由图8可见，在刀具切削土壤过程中，试验测得功耗平均值为2.98 kW，试验功耗与数值模拟计算得到的功耗的误差为7.2%，因此利用数值模拟的方法来研究立式旋耕刀具的土壤切削是合理可行的，同时也验证了该切削模型的正确性。

4结论

本研究利用ANSYS建立了立式旋耕刀具与土壤的切削有限元模型，运用LS-DYNA971显式动力分析软件对立式旋耕刀具切削土壤过程进行了数值模拟计算，得出以下结论：仿真结果与土槽试验结果吻合良好，验证了所构建的立式旋耕刀具切削土壤的有限元模型的正确性。采用 MAT147

（MAT_FHWA_SOIL）的土壤模型，该模型采用修正的Mohr-Coulomb屈服准则，同时考虑了塑性硬化、塑性软化、应变速率效应和孔隙水压力效应，相对LS-DYNA提供的其他土壤模型，其仿真的结果更加准确。考虑仿真中土壤模型大小的限制，对土壤外端面施加无反射边界条件（*BOUNDARY_NON_REFLECTING）来模拟无限大的土壤，从而避免边界处波的反射对求解域的影响，使结果可信度进一步提高。通过关键字 *PART_INERTIA 来定义刀片与刀盘之间的惯性特性，来表示刀片与刀盘之间的刚性约束极其重要。仿真过程中土壤切削的平均功率为2.73 kW，与土槽试验结果的误差为7.2%，说明该有限元模型可用于估算切削功耗值，进而用于指导茶园管理机的动力选型。该土壤切削模型已得到土槽试验验证，为今后模拟不同地区茶园的土壤切削问题打下基础。endprint

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