玉米根茬根土分离过程数值模拟

武 涛，江立凯，赖远宏，马 旭

(华南农业大学 工程学院，广东 广州510642)

玉米根茬根土分离过程数值模拟

武 涛，江立凯，赖远宏，马 旭*

(华南农业大学 工程学院，广东 广州510642)

为明确玉米根茬根土分离过程中的土壤运动与破裂规律以及根茬变形与受力规律，基于光滑粒子流体动力学(SPH)算法构建玉米根茬根土复合体仿真模型，利用该模型分别进行了玉米根茬根土复合体在压力与冲击作用下的根土分离过程动态仿真。仿真结果表明：在压缩作用下，为使土壤破碎同时避免压实，应控制压缩率<90%；当压缩率为90%时，玉米根茬大部分根须所受等效应力为0.421～2.907 MPa；采用飞锤冲击玉米根茬根土复合体，不仅可以有效促使土壤破碎，提高根土分离效果，而且可以减少根须所受应力，降低根茬损失率。

玉米根茬； 根土分离； 数值模拟； 光滑粒子流体动力学

玉米根茬灰分含量低，平均含硫量低，热值高，适合作为燃料[1]。我国是玉米种植大国，2012年播种面积达3 495×105hm2[2]，全国玉米根茬年产量转换为热值约相当于0.35×108t标准煤[3]，这样庞大的生物质资源亟需开发利用。然而，传统的人工根茬回收方式劳动量大、效率低、根土分离效果差。因此，要实现玉米根茬的规模化利用，亟需开展玉米根茬机械化收获技术研究。

玉米根茬机械化收获的关键环节之一是进行玉米根茬与土壤的高效分离，要实现这一目的，需要利用外力破坏玉米根茬与土壤形成的根土复合结构。国内研究机构对玉米根茬收获机具进行了相关研究，按照根土分离工作原理大致可分为：碾压式、击打式、抖动式、揉搓式，以及上述方式的组合形式[4-9]。

玉米根茬根土复合体在外力作用下的根土分离机制复杂，通过物理试验较难获得位于土壤中的根茬与土壤作用过程、根茬的应力变化过程以及土壤的变形、破裂、疏松过程。计算机仿真技术是研究土壤在机械作用下力学行为的有效有段，可实现玉米根茬根土分离过程的数值模拟。在根土复合体的根土分离过程中，土壤受挤压或冲击产生大的变形，出现破裂现象，采用传统有限元方法进行动力学仿真模拟计算，容易产生网格畸变、计算失效。光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics，SPH)方法不需要网格，不会造成网格畸变，能够有效地对工作部件与土壤的作用过程及土壤的变形、破裂、疏松过程进行模拟计算[10-11]。鉴于此，利用SPH方法，以玉米根茬根土复合体作为研究对象，进行玉米根茬根土复合体在压缩与冲击作用下的计算机仿真分析，在细观层次上研究玉米根茬根土复合体在外力作用下土壤的破裂过程及根茬的应力与形态变化规律，以期为玉米根茬根土分离装置工作参数的优化提供依据。

1 玉米根茬根土复合体仿真模型的建立

1.1 玉米根茬几何模型的建立

玉米收获后，留在地里的玉米根茬主要由地上部分的秸秆和地下部分的根系两部分组成。玉米根茬的结构形态及在土壤中的分布如图1所示。

图1 玉米根茬的结构形态及在土壤中的分布

根据对玉米根茬结构的分析，玉米根茬结构可简化为由茎秆、主根与须根组成。在三维软件Pro/E中对玉米根茬进行几何模型建模，将建好的几何模型保存为STP格式。为节省运算时间，假设玉米根茬实体模型在空间对称，只建立其1/2实体模型进行模拟计算。玉米根茬几何模型如图2所示，根茬几何尺寸如表1所示。

1.2 玉米根茬有限元模型的建立

为对玉米根茬进行力学分析，需要建立玉米根茬的有限元模型。在 Pro/E中建立玉米根茬模型后，以STP格式保存玉米根茬实体和曲面，导入ANSYS软件下的ICEM CFD模块对根茬进行网格划分，将划分好网格的根茬模型保存为K文件，再将K文件导入到LS-PrePost中，得到玉米根茬有限元模型，如图3所示。

图2 简化的玉米根茬几何模型

茎秆直径/mm茎秆长度/mm主根直径/mm主根长度/mm须根直径/mm须根长度/mm18252100150

图3 玉米根茬有限元模型

1.3 有限元与SPH粒子方法结合的根土复合体模型建立

土壤的几何模型可简化为直径200 mm的半球体，直接在LS-PrePost中运用SPH粒子生成方法建立土壤几何模型。为节省运算时间，实际建模时只建立其1/2实体模型。然后在LS-PrePost中将根茬有限元模型导入，得到玉米根茬土壤复合体仿真模型，如图4所示。

图4 玉米根茬根土复合体仿真模型

1.4 根土复合体材料属性的设定

1.4.1 土壤材料属性 土壤是高度非线性的，涉及到多相、松散和物性分散等特点，参数多而复杂(如土壤密度、容重、土粒密度和孔隙度等)，在很多应用实例中，土壤被理想化为连续介质[10]。本研究采用LS-PrePost提供的MAT147材料模型作为土壤模型，土壤材料的参数如表2所示。

表2 土壤材料参数

1.4.2 根茬材料属性 根系在一定的应力范围内有弹性体的性质，遵循广义虎克定律，因此可将根系按线弹性处理[12]，将玉米根茬作为一种各向同性弹塑性材料，仿真所采用的根茬材料参数如表3所示。

表3 玉米根茬材料参数

2 根土复合体仿真模型的验证

为验证所建立的玉米根茬根土复合体仿真模型的仿真度，在LS-PrePost中进行钢板压缩玉米根茬根土复合体的仿真试验(图5a)，并与万能试验台上进行的物理试验(图5b)进行对比。

图5 钢板压缩根土复合体仿真模型

在LS-PrePost中设置钢板与土壤，根茬与土壤的接触设置为点面接触(AUTOMATIC_ NODE_TO_SURFACE)，钢板与根茬为面面接触(AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE)，钢板的运动速度为0.01 m/s。将上述仿真模型生成K文件，导入到ANSYS软件进行求解，生成D3plot文件，在LS-PrePost中打开该文件进行后处理。仿真试验与物理试验得到的压缩率-压力曲线对比结果如图6所示，由图6可知，仿真曲线与试验曲线的变化趋势基本一致，压力经历波动增长与指数迅速增长2个阶段，说明该仿真模型可以用来模拟玉米根茬根土复合体在外力作用下的受力与变形情况。

图6 物理试验与仿真试验结果对比

3 数值模拟结果与分析

为清晰观察到玉米根茬根土复合体在压缩与冲击作用下的土壤运动与破裂规律以及玉米根茬的变形与受力过程，在LS-PrePost中进行玉米根茬根土复合体在压缩与冲击作用下的仿真分析，以期从细观角度揭示玉米根茬根土复合体的根土分离机制。

3.1 根土复合体在压缩作用下的根土分离过程

3.1.1 土壤粒子运动与受力过程 为了清晰观察到压力对土壤的作用过程，截取土壤在不同压力作用下的等效应力图(图7)。由图7可知，初始状态时(压缩率=0)，土壤粒子排列整齐，土壤内部应力呈均匀分布。随上压板的下压(压缩率=18%)，与上压板接触部位的土壤粒子沿水平方向发生错动，土壤应力开始增长，且压力逐渐向内层土壤传递。随上压板继续向下移动(压缩率=36%～54%)，压力经由土壤传递到下支撑板，与下支撑板接触的土壤粒子也发生错动，但中心部位的土壤粒子仍然保持较为整齐的排列。当压缩率达到72%时，与上下板接触的粒子已完全松散、破裂，向四周运动，且应力增加。当压缩率达到90%时，土壤周围粒子基本完全松散破碎，土壤中心粒子发生应力增长，表明中心土壤被压实。仿真环境下土壤外形发生的形态变化与物理试验观察到的状态一致。表明，压缩率是影响根土复合体土壤破碎的重要因素，当压缩率达到90%时，土壤被压实，为使土壤在压力作用下发生破碎，同时避免土壤被压实，应控制压缩率<90%。

图7 土壤在压力作用下的等效应力图

3.1.2 玉米根茬所受应力变化过程 根土复合体在受压过程中，玉米根茬受到周围土壤的挤压作用，为了观察玉米根茬所受等效应力和变形情况，截取玉米根茬在不同时刻的等效应力分布(图8)。由图8可以看出，在压缩作用下，根茬发生不规则的变形，但整体趋势为发散的根须向受压中心收缩。土壤施加在玉米根茬上的等效应力随压缩率的升高而增加，主根与茎秆及主根与须根间的连接部位应力较为集中。当压缩率为18%时，靠近上方压板的根须应力增加，最大等效应力达到2.293 MPa，这是由于靠近压板的土壤将压板的压力传递给根须，而远离压板的根须受影响较小。随压缩率的继续增加，靠近上压板与下支撑板的根须应力均继续增长，压缩率从36%增加到72%，根须所受最大等效应力从4.830 MPa增长到6.465 MPa，这是由于随压缩率的升高，土壤所受压力增加，且将压力传递给根茬。由图8f可知，当压缩率为90%时，根茬蜷缩在一起，此时土壤被压实，大部分根须的等效应力在0.421～2.907 MPa。这是由于压缩结束时，根须蜷缩在被压实的土壤中，压力传递到大部分根须上，导致根须所受应力整体升高。

图8 玉米根茬在压力作用下应力变化过程

3.2 根土复合体在冲击作用下的根土分离过程

3.2.1 根土复合体分离过程 采用飞锤对玉米根茬根土复合体进行击打可提高根土分离率[13]，高速摄像试验结果可知，根土复合体在飞锤冲击作用下发生根土分离的过程极为短暂，仅0.05 s，常规力学试验难以获得土壤及根茬在冲击作用下的短暂受力过程与形态变化。通过建立飞锤冲击根土复合体的仿真模型，可以对这种短暂现象进行分析。

在LS-PrePost中设置飞锤与土壤，根茬与土壤的接触为点面接触(AUTOMATIC_NODE_ TO_SURFACE)，飞锤与根茬的接触为面面接触(AUTOMATIC_SURFACE_TO_ SURFACE )，飞锤的运动速度为4 m/s。根土复合体在冲击作用下的根土分离过程如图9所示。由图9可以看出，飞锤冲击根土复合体导致根土分离的过程大概持续了0.05 s，这与高速摄像的试验结果一致。在飞锤的冲击下，土壤发生破碎，土壤粒子发生大范围的错动与飞溅，根茬受到冲击后沿受力方向飞出，实现了根茬与土壤的分离。与土壤在压力作用下土壤粒子的运动现象不同，在冲击作用下不仅与飞锤接触的土壤粒子发生错动，而且冲击作用使得远离飞锤的土壤粒子也发生错动，表明冲击作用能够有效破坏土壤颗粒间的连接，促使土壤裂纹扩展，使土壤发生破碎。

图9 根土复合体在冲击作用下的根土分离过程

3.2.2 根茬等效应力变化过程 为分析包裹在土壤中的玉米根茬在冲击作用下的变形与受力情况，截取不同时刻的根茬等效应力云图(图10)。由图10可以看出，根茬在受到飞锤的冲击后，产生大变形，同时应力迅速增长。在t=0.01 s，根须所受最大等效应力为2.279 MPa，这是由于飞锤刚与根茬接触，冲击力转移到根须上。在t=0.02～0.05 s，根须所受最大等效应力从2.251 MPa下降到1.189 MPa。对比图10与图8的等效应力云图可知，根须在冲击作用下的等效应力低于根须在压力作用下的等效应力，这是由于根土复合体在受到冲击后，冲击力首先被转化为土壤的破碎能，另一部分转化为根茬的动能。因此对根土复合体进行冲击作用，可减少根茬的受力。

图10 根土复合体在冲击作用下的根茬应力变化过程

综合图9与图10的分析可知，采用飞锤冲击玉米根茬根土复合体，不仅可以有效促使土壤破碎，提高根土分离效果，而且可以减少根茬所受应力，降低根茬损失率。

4 结论

基于SPH 算法构建玉米根茬根土复合体仿真模型，在仿真环境下获得根土复合体的压缩率与压力曲线，仿真试验曲线与物理试验曲线的变化趋势基本一致，说明该仿真模型可以用来模拟玉米根茬根土复合体在外力作用下的受力与变形情况。压缩率是影响根土复合体土壤破碎效果的重要因素，在压缩作用下，根茬发生不规则的变形，但整体趋势为发散的根须向受压中心收缩。当压缩率为90%时，根茬蜷缩在一起，此时土壤被压实，大部分根须的等效应力范围在0.421～2.907 MPa。为使土壤破碎同时避免压实，应控制压缩率<90%。采用飞锤冲击玉米根茬根土复合体，不仅可以有效促使土壤破碎，提高根土分离效果，而且可以减少根茬所受应力，降低根茬损失率。

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Numerical Simulation of Roots-soil Separation Process of Corn Stubble

WU Tao,JIANG Likai,LAI Yuanhong,MA Xu*

(Department of Engineering,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China)

With the aims of obtaining the movement and rupture law of soil as well as the deformation and stress variation law of stubble in the roots-soil separation process of corn stubble,the numerical simulation model of corn stubble roots-soil composite was established,which was based on the SPH method. Furthermore,the above model was applied in the dynamic simulation of roots-soil separation process of the corn stubble roots-soil composite under the impact and compression.The simulation results showed that in the compression process,for the purpose of crushing soil and preventing soil compaction,the compression rate should be lower than 90%;when the compression rate was 90%,the equivalent stress of the most roots was from 0.421 MPa to 2.907 MPa;impacting corn stubble roots-soil composite with hammer not only improved the effect of roots-soli separation,but also decreased the stress of the roots and reduced the roots loss rate.

corn stubble; roots-soil separation; numerical simulation; SPH

2016-01-02

国家自然科学基金项目(51405164，51175188)

武 涛(1979-)，男，河北张家口人，副教授，博士，主要从事根茎类作物收获技术与装备研究。 E-mail：wt55pub@scau.edu.cn

*通讯作者：马 旭(1959-)，男，辽宁沈阳人，教授，博士，主要从事农业机械设计理论与装备研究。 E-mail：maxu1959@scau.edu.cn

S225.7

A

1004-3268(2016)07-0132-05