基于Abaqus的缺口圆盘刀开沟作业有限元仿真及分析

齐　鹏，高富强，邱立春

(沈阳农业大学 工程学院，沈阳　110161)



基于Abaqus的缺口圆盘刀开沟作业有限元仿真及分析

齐鹏，高富强，邱立春

(沈阳农业大学 工程学院，沈阳110161)

摘要：为分析免耕播种机破茬开沟部件开沟作业时圆盘刀与土壤之间的相互作用情况,在Abaqus有限元分析软件中建立了圆盘刀——土壤侵彻的三维动态有限元模型，在Explicit动态显示模块下进行仿真试验分析。搭建了基于室内土槽的圆盘刀牵引平台，通过土槽试验对有限元模型的正确性、有效性进行验证，结果表明：该有限元模型能准确模拟圆盘刀在土壤上进行开肥沟作业的过程。选取机组前进速度、圆盘刀入土深度和圆盘刀刀面与前进方向之间偏角等作为试验因素进行基于上述有限元仿真的正交试验，得到各因素及其一阶交互作用对模型中肥沟深度和宽度的影响规律。同时得到：在机组前进速度为1.67 m/s、圆盘刀入土深度为12cm、圆盘刀面偏角为6°时，破茬开沟部件所开肥沟质量最佳。

关键词：免耕播种机；缺口圆盘刀；有限元法

0引言

免耕播种是指在未经耕整覆盖有秸秆残茬的土壤上直接进行播种作业[1]。与传统播种方式相比，最大的不同在于播种机前部配置有各式各样的破茬开沟部件，主要作用是切断秸秆残茬并开出良好的肥沟便于排肥同时为接下来的播种作业做扰土准备。近年来，随着国内材料工艺和金属热处理技术的日臻成熟，各式破茬开沟机构的强度及可靠性得到很大提高，完全能够满足秋季还田地的破茬作业要求。而随着改良土壤、增加土地营养的施加玉米口肥作业的广泛推广，免耕播种作业时开肥沟作业日益受到重视。开肥沟作业受机组前进速度、部件入土深度和破茬开沟部件偏角等诸多因素的影响，在田间作业时经常出现所开肥沟过窄、过浅，肥沟直线度、均匀度不良等问题，从而使得化肥不能准确均匀地施放到农艺所要求的土层位置。按农艺要求，肥沟应尽可能做到深和宽，一般来讲，破茬开沟器应切开表土开出一条3~8cm宽、8~12cm深的肥沟或种沟预开沟[2~3]。

本文旨在通过对免耕播种机缺口破茬开沟圆盘刀进行开肥沟作业的正交试验，得出机组前进速度、部件入土深度和破茬开沟部件偏角等相关因素对肥沟质量的影响及其最佳作业参数组合。传统方法研究此类入土部件与土壤的相互作用主要依靠土槽试验，但使用土槽进行多因素多水平的正交试验研究时，因其工作量大、耗时耗力，有时需加工多个不同试验机具且误差及偶然因素较多使得基于土槽的正交试验难以进行[4-5]。

基于上述原因，本文采用将有限元模拟试验与土槽验证试验相结合的方法得到所需的作业参数。即先通过Abaqus有限元分析软件完成开肥沟部件模型与土壤模型的建立并对其装配体进行部分因素水平下的有限元仿真试验，得到相关试验数据；再通过对应因素水平的土槽试验对之前有限元试验结果进行验证，确定有限元试验结果可靠。在所建模型准确、约束条件合理的情况下再进行所有因素水平下的有限元软件内的正交试验，以得出各因素对圆盘刀所开肥沟深度与宽度的影响大小的排序及开沟作业中最佳作业参数组合。

1仿真试验材料与方法

1.1　圆盘刀—土壤有限元模型

由于Abaqus软件自带的图形处理功能不够完善，操作难度相对较大，故应用SolidWorks三维建模软件，以国内某型免耕播种机缺口破茬开沟圆盘刀(见图1)为蓝本建立圆盘刀部件模型。其圆盘刀外径435mm，圆盘厚5.5mm，刀刃厚2.5mm；圆盘上沿圆周均匀分布13个凸齿，凸齿呈圆角梯形，上底5cm，相邻齿间腰呈圆弧均匀过度。为方便划分网格，将不影响动力学有限元分析的中心轴承口及6个螺纹孔省略，将SolidWorks中建成的圆盘刀模型保存成IGS格式文件并导入Abaqus下Explicit模块中。在Abaqus中定义材料为65Mn，抗拉强度为735MPa，屈服强度为430MPa，密度7 810kg/m3，泊松比为0.3，弹性模量为210GPa。创建65Mn截面并指派给导入后的圆盘刀部件[6-9]。

图1　免耕播种机缺口圆盘刀

土壤模型直接在Abaqus中建立，为以XY平面对称的300mm×500mm×400mm的长方体实体[9]。土壤模拟选用辽宁省农业机械化研究所土槽内土壤，土质为黄黏土，土壤模型采用Druker-Prager本构模型。其剪切准则确定为线性类型，硬化行为确定为剪切类型。定义材料属性参数如表1所示[10]。土壤模型参数值以吉林大学佟金教授相关论文参数为模板，密度、摩擦角及含水率参数为本实验室内测出；创建土壤截面并指派给土壤部件。

表1　有限元模型中的土壤参数

将两部件划分网格并装配成仿真试验模型。使圆盘刀与土壤外表面有一定距离，圆盘最下端距离土壤上表面垂直距离为8、10、12cm共3个水平，其值代表着破茬开沟部件开肥沟作业时的入土深度。圆盘平面可以与XY平面成0°、3°、6°角共3个水平，其值大小反映了破茬开沟部件开沟平面对机组前进方向的偏转程度。当圆盘平面与XY平面存在夹角即试验中模型位置偏角取3°和6°这两个水平时，需对圆盘刀添加额外约束以使其不能在有限元分析过程中随意转动导致结果失真。

1.2　圆盘刀—土壤的动力学仿真

进行Abaqus有限元分析模块的操作，包括分析步、接触、预定义场与载荷等选项卡的参数确定与设置。

创建显示动力学分析步，时间长度确定为0.5s，时间增量确定为0.001s，创建相应的场输出与历程输出对象。

创建相互作用为接触，其中接触属性设定为切向满足惩罚函数的摩擦，确定摩擦因数为0.6；法向为硬接触即当接触面之间的接触压力变为0或者负值时，2个接触面分离，约束被移开[11]。由于圆盘刀材料强度远高于土壤的强度，故该模型中对圆盘刀创建刚体约束；在土壤长方体下表面创建边界条件为完全固定，即限制底面的全部6个自由度，土壤模型上表面不施加任何约束。

在预定义场及边界条件下同时创建圆盘具有X正方向初速度，速度作用点为圆盘刚体的中心，该中心命名为RP，速度取值为1.67、2.22、2.78m/s等3种情况,其值代表着正交试验中机组作业的前进速度。这一因素下共有1.67、2.22、2.78m/s等3个水平[12-16]。完成上述全部步骤后创建作业，提交分析。

1.3　仿真试验数据收集

每组有限元分析试验完成后，在Abaqus软件可视化模块下都会得到20~40张数量不等的应力云图用来显示该模型的仿真结果，图2显示的是模型在分析工作完成前后的形态对比。

图2　圆盘刀与土壤模型仿真结果示意图

在可视化窗口下可查看有限元模型的变形云图。选取每组试验完成后所得云图中的最后一帧云图(最终变形状态)进行沟槽深度、宽度的图上测量，可利用Abaqus软件中的查询距离功能测量所需数据。为方便测量需要将圆盘刀模型隐藏，在测量沟槽深度、宽度时需分别作相应的切片处理。

1)沟槽深度测量：对云图进行Z平面下的切片处理，以XY平面本身为中心将模型进行等分，可选取任一部分测量，此时沟槽最深点能完全暴露出来方便测量。由于所得切片的沟深在X方向上有一定起伏，故对土壤模型中沟槽部分全长进行沿X方向的3等分，分别测出3个等分点处的沟深，沟槽深度则记为3个深度的算术平均值。

2)沟槽宽度测量：对云图进行Y平面下的切片处理，以与XZ平面平行且沿Y平面负方向平移9.5cm的平面为切刀将模型分成上下两部分，保留下面部分。此时沟槽宽度为地表以下9.5cm的宽度，该深度为施肥的良好深度，故统一选取该深度的沟宽作为数据采集位置。所得切片沟槽宽度均较均匀，选取土壤模型中沟槽部分全长的中心为测点，测量该位置的沟宽作为该组试验的沟槽宽度。

按照上述方法完成各组有限元仿真试验的数据收集。

1.4　仿真试验结果

在Abaqus显示动力学模块中对上述模型(包含变更作业条后重新装配的模型)分别进行机组前进速度为1.67m/s、入土深度8cm、圆盘刀面偏角0°，机组前进速度2.22m/s、入土深度10cm、圆盘刀面偏角3°；机组前进速度为2.78m/s，入土深度12cm、圆盘刀面偏角6°等3种因素水平的有限元仿真试验，各试验分别记为试验1、试验2、试验3。每组试验进行2次重复试验，所得试验指标结果为组内各试验数据的平均值。为方便图上测量，对各试验最后一帧云图进行剖视、特征线显示、背景色变更等处理，所得云图如图3所示。

(a)　试验1　　　　　　　　　　　(b)　试验2　　　　　　　　　　　　　　(c)　试验3

按照上述试验数据收集方法，对所做共3组6次试验进行数据测量、收集和平均值处理。得到了3组试验中所开沟槽宽度及深度数据如表2所示。

表2　Abaqus部分试验数据表

2土槽验证试验

为了验证所建立的有限元模型的准确性，选取沟槽宽度、深度两者为验证参数进行室内土槽试验。试验在辽宁省农业机械化研究所室内土槽平台进行，土槽车作为牵引力来源提供试验所需的3种速度，缺口破茬开沟机构通过调整悬挂位置调节其入土深度及圆盘刀面偏角。

分别对有限元仿真试验中的3组试验进行同等因素水平下的土槽试验，试验号一一对应。测量并采集肥沟深度、宽度等试验数据进行比较。沟宽与沟深的数据测点及测量方法参照有限元试验中的数据采集方式，每组土槽试验进行3次重复试验，所得试验指标结果为组内各试验数据的平均值。土槽试验数据如表3所示。

表3　土槽部分试验数据表

将土槽试验数据与有限元仿真试验数据相比较，计算相对误差。计算结果表明：试验1中仿真试验肥沟深度的相对误差为3.82%，肥沟宽度的相对误差为6.02%；试验2中深度相对误差为2.98%，宽度相对误差为2.20%；试验3中深度相对误差为6.47%，宽度相对误差为6.68%。3组试验中两个评价指标的仿真值与实测值相对误差均小于7%，数据波动误差较小，波动情况与自然规律相符，证明本研究所采用的建模及仿真方法准确可靠，可在该仿真模型下进行全面正交试验研究。

3正交试验及结果分析

3.1　正交试验

由于有限元仿真试验结果可靠，故在Abaqus中进行全部正交试验。在正交表L18(37)(见表4)下安排3因素3水平有交互的正交试验。其中，试验1及试验9的试验数据沿用之有限元仿真试验中的试验1及试验3的结果。

表4　正交试验表及数据

K1～K3、k1～k3、R中的数据依次为肥沟深度和肥沟宽度。

3.2　试验结果分析

因素影响的主次顺序的确定主要依据表4中极差R数值的大小进行排列。由农艺常识知，在合理范围内，肥沟的沟槽深度与宽度均为数值越大越好，故各因素对二者的影响大小的顺序均为R值由大到小排列。

由表4可得排序结果如下：①各因素对肥沟深度的影响大小的顺序为入土深度>圆盘刀面偏角>入土深度×圆盘刀面偏角>空列>机组前进速度>机组前进速度×入土深度>机组前进速度×圆盘刀面偏角；②各因素对肥沟宽度的影响大小的顺序为圆盘刀面偏角>机组前进速度×圆盘刀面偏角>入土深度>机组前进速度×入土深度>入土深度×圆盘刀面偏角>空列>机组前进速度。

此外，在排除交互作用影响只考虑现有因素各水平的情况下可得对于肥沟深度、肥沟宽度的优方案均为A1B3C3，即机组前进速度为1.67 m/s、入土深度为12cm、圆盘刀面偏角为6°时，破茬开沟部件所开肥沟效果最为理想。

4结论

1)利用Abaqus有限元分析软件可准确模拟免耕播种机破茬开沟缺口圆盘刀与土壤间的相互作用情况；与传统的土槽试验、田间试验相比节省了大量的人力、物力和财力。

2)由试验得出了各因素对及其一阶交互作用对肥沟深度和宽度的影响大小顺序。由此可以看出：入土深度对沟槽深度数值影响最大且与常识相符；需要指出的是，圆盘刀面偏角及其与入土深度的交互作用对肥沟深度影响也很显著。机组前进速度对沟槽宽度的单独影响较小；但在与圆盘刀面偏角交互作用下却对沟槽宽度有显著作用，仅次于圆盘刀面偏角对沟宽的影响。

3)在各因素既定的水平下，当机组前进速度为1.67m/s、圆盘刀入土深度为12cm、圆盘刀面偏角为6°时，破茬开沟部件所开肥沟最为深和宽，沟槽形态最为理想。由此反映出圆盘入土深度与刀面偏角分别作为肥沟深度与宽度的导向因素，其取值大小直接影响沟槽形态；机组速度作为补充因素，在其取值较小时沟槽的深度与宽度反而较大，针对这种对应关系需要做进一步的研究。

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Abstract ID:1003-188X(2016)09-0064-EA

The Finite Element Analysis and Simulation of the Gap Disc Trenching Based on ABAQUS

Qi Peng, Gao Fuqiang , Qiu Lichun

(College of Engineering，Shenyang Agricultural University，Shenyang 110161，China)

Abstract：In order to analysis the interaction between the no-till planter gap- disc and soil, we set up the disc-soil dynamic three-dimensional finite element model on Abaqus and proceed simulation experiment analysis under the its explicit dynamic display module. Established a traction platform based on the indoor soil bin and examined the validity and reliability of finite element model through it. The results show that the finite element model can simulate the process accurately.Forward speed, disc buried depth and angle between the disc surface and advance direction(deflection angle) were selected as three factors of the orthogonal simulation experiment. Explored the effect regularity on the depth and width of the fat groove caused by the factors and the primary reciprocal actions between each factor. At the same time ,it can be seen that the quality of groove is best when it was selected 1.67 m/s as the forward speed, 12 cm as the disc buried depth ,6°as the angle between the disc surface and advance direction.

Key words：no-till planter；gap-disc；finite element analysis

中图分类号：S223.2+6;S220.3

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)09-0064-05

作者简介：齐鹏(1990-)，男，辽宁营口人，硕士研究生，(E-mail) 906547981@qq.com。通讯作者：邱立春(1957-)，男，辽宁铁岭人，教授，博士生导师，(E-mail)qlc@syau.edu.cn。

基金项目：国家自然科学基金项目(51175354)

收稿日期：2015-09-01