基于有限元法的波纹形仿生深松铲仿真分析

邱兆美， 张海峰， 张 伏， 毛鹏军， 马延武

(河南科技大学农业装备工程学院，河南洛阳 471003)

传统耕地作业会使耕地形成坚硬的犁地层[1]，影响土壤的蓄水保墒能力，长时间耕种会造成水土流失、土壤退化、耕作层透水透气性较差等现象，而深松耕作可以解决传统耕地作业产生的遗留问题[2-10]。但深松铲在深松作业时受到的阻力较大，如何减小深松铲受到的阻力已成为一个待解决的问题。土壤动物具有良好的掘土功能，而蚯蚓是一种典型的土壤动物，有良好的掘土性能和对土块的松碎性能，它所具有的降阻特性主要由其体表结构、体表柔性、体表润滑等诸多因素共同决定[10-16]，仿生深松铲采用蚯蚓的波纹形结构设计，其中深松铲铲尖波纹形结构如图1所示。

1 深松铲运动仿真分析

LS-DYNA程序是可以以显式求解、非线性动力分析(如动力分析前的预应力计算)为主的通用结构分析非线性有限元程序，能够求解各种材料非线性、接触非线性、几何非线性等问题。深松铲以一定的速度侵入土壤时，土壤会产生弹性变形、塑性变形、失效等作用。在整个铲体切削土壤过程中存在着严重的非线性问题，首先接触面与接触边界在不断变化，其次在接触面上存在着摩擦和滑动，因此，深松铲在土壤中的深松过程属于非线性结构的冲击动力学问题。为解决此问题，本研究在Hypermesh软件中采用弹塑性本构关系模型作为土壤材料非线性有限元算法的计算模型。其中Hypermesh软件可以支持很多不同的求解器输入输出格式，具有良好的求解器接口功能，利用Hypermesh软件划分好模型的有限元网格后，可以直接把计算模型转化成不同的求解器文件格式，从而利用相应的求解器进行计算。Hypermesh软件可以作为统一的计算机辅助工程(computer aided engineering，简称CAE)应用平台，即统一利用Hypermsh软件进行网格划分，然后对不同的问题利用不同的求解器进行求解，进而方便地管理数据文件，大大提高分析效率。

采用Hypermesh软件设置深松铲的材料参数，并进行网格划分、约束设置以及载荷和初速度的施加。

1.1 材料参数

深松铲模型的材料定义为刚体，特性参数可以参照锰钢，密度为7.83×103kg/m3，弹性模量为2.07×106MPa，泊松比为0.3；土壤材料参数可以采用MAT Soil模型，密度为 1.4×103kg/m3，剪切模量为3×107Pa，泊松比为0.36，分形系数为2.8，内摩擦角为30°，黏聚力为5×10-6Pa；深松铲和土壤之间的接触算法选择面面算法，接触的刚度系数设置为4.0。

1.2 建模与网格划分

在SolidWorks软件中构建深松铲模型，按照几何结构 1 ∶1 建模，土壤模型的尺寸为0.90 m×0.60 m×0.50 m。深松铲和土壤在建模时均为对称几何体，因此在Hypermesh软件中划分网格时可以考虑对一半模型划分网格，然后再利用对称关系，对另一半模型进行网格划分。

1.3 约束设置

深松铲在深松土壤时，沿着x轴水平负方向运动，其中x轴与y轴、z轴垂直(x轴为深松铲前进方向，前进方向为负；y轴为水平垂直x轴方向；z轴为为竖直方向，向上方向为正)。因此，须要约束深松铲y轴、z轴的水平自由度和所有坐标轴的旋转自由度，并且约束土壤的地面全自由度(土壤x轴和y轴的转动自由度，侧面z轴的平动自由度)。

1.4 施加载荷和初速度

在Hypermesh软件中，设置深松铲沿x轴方向运动的初速度、位移、时间，并生产以k为文件名的文件，导入到ANSYS/LS-DYNA中进行仿真运算。

2 深松铲仿真结果与分析

在深松深度为300 mm，切削速度为1.25 m/s时，采用 LS-DYNA模拟深松铲的耕作阻力随时间变化的曲线。由图2可以看出，当深松铲铲尖与土壤接触时，开始切削土壤，深松铲所受阻力从0开始增加。随着时间的延长，深松铲不断地切削土壤，深松铲与土壤的接触面积逐渐增大，深松铲受到的土壤阻力也不断增大。

当深松铲和土壤接触时，接触面积越大，深松铲受土壤作用产生的载荷就越大。当土壤受到的应力载荷超过自身的弹性极限时，土壤的本构关系遭到破坏，不再是理想的弹性状态，进入塑性状态。随着土壤进入到塑性状态，其自身开始屈服，此时土壤未遭到完全破坏，可继续承受载荷，当土壤出现硬化情况时，深松铲所受阻力达到峰值；当土壤之间的凝聚力聚合键遭到破坏时，自身开始失效，土壤开始软化，深松铲受到的阻力开始减小。由此可知，在深松作业过程中，当深松铲以恒定的速度前进时，土壤将会在弹性状态、塑性状态、硬化状态、失效状态之间不断转变，导致深松铲受到的阻力在峰值和峰谷之间波动，但保持一定的稳定状态。

通过仿真分析发现，深松铲的耕作阻力在深松工作开始0.25 s后趋于稳定，利用0.25 s后的深松铲工作阻力计算得到深松铲受到的平均阻力。由图3可知，当深松铲的耕作深度为0.3 m，前进速度为 1.00、1.25、1.50 m/s时，仿生深松铲所受的平均耕作阻力分别为4.28、4.40、4.50 kN，原深松铲所受的平均耕作阻力分别为4.40、4.68、5.10 kN。

3 深松铲静应力分析

根据深松铲的实际工作情况，在深松铲的触土表面施加5 kN载荷，运用ANSYS软件对深松铲进行静应力分析。

3.1 深松铲材料特性

针对普通的工作情况，将深松铲材料定义为刚体，其特性参数设置参照65 Mn锰钢，密度为7.83×103kg/m3，杨氏模量为2.06×105MPa，屈服强度≥430 MPa，抗拉强度≥735 MPa，泊松比为0.3。对深松铲采用自由网格划分方法进行网格划分，并对深松铲的入土表面施加面载荷。

3.2 有限元结果分析

经ANSYS有限元分析计算，深松铲的最大应变集中在铲尖的头部，原深松铲的分析结果如图4所示，最大等效应力为172.58 MPa，最大总应变量为0.790 12 mm；仿生深松铲的分析结果如图5所示，最大等效应力为116.75 MPa，最大总应变量为0.560 22 mm。

通过分析仿真结果，深松铲的最大应力值小于65 Mn钢的屈服极限(430 MPa)，符合材料的特性要求，且仿生深松铲的最大应力和最大总应变量比原深松铲小。与原深松铲相比，在受到相同的冲击载荷时，仿生深松铲的工作性能更可靠，理论使用寿命较长。

4 结论

通过对深松铲的运动仿真分析和静态仿真分析发现，与原深松铲相比，经过改进的波纹形仿生深松铲受到的阻力较小，且最大等效应力和最大总应变量均较小，使得深松铲的理论使用寿命得到提高，在一定程度上可提高深松铲在面对土壤恶劣环境时工作的可靠性。由于实际工作环境的复杂性，后续将对仿生深松铲进行土槽试验，验证仿真分析结果的正确性及仿生深松铲的减阻性能。

[2]Mollazade K，Jafari A，Ebrahimi E. Application of dynamical analysis to choose best subsoiler’s shape using ANSYS[J]. Institute of Technology，2014，23(12)：1655-1658.

[3]郭新荣. 土壤深松技术的应用研究[J]. 山西农业大学学报(自然科学版)，2005，25(1)：74-77.

[4]李洪文，陈君达，李问盈. 保护性耕作条件下深松技术研究[J]. 农业机械学报，2000，31(6)：42-45.

[5]李艳龙，刘 宝，崔 涛，等. 460型杠杆式深松机设计与试验[J]. 农业机械学报，2009，40(增刊1)：37-40.

[6]余泳昌，刘文艺，赵迎芳，等. 立柱式深松铲受力数学模型及试验分析[J]. 农业工程学报，2007，23(6)：109-113.

[7]Tang Y P，Hong L，Jin Y C，et al. Study on the bionic preparation and properties of TiO2as three-dimensional anode materials for lithium-ion batteries[J]. Advanced Materials Research，2014，875/876/877：1507-1510.

[8]郭志军，孙政伟，张 毅，等. 推土铲切削性能的二维有限元分析[J]. 拖拉机与农用运输车，2006，33(6)：30-32.

[9]Reid J D，Coon B A，Lewis B A，et al. Evaluation of LS-DYNA Soil material model 147[J]. Roadside，2004(11)：1-85.

[10]张 强，张 璐，刘宪军，等. 基于有限元法的仿生钩形深松铲耕作阻力[J]. 吉林大学学报(工学版)，2012，42(增刊1)：117-121.

[11]刘国敏，邹 猛，李建桥. 蚯蚓体表与土壤接触界面动态行为仿真[J]. 吉林大学学报(工学版)，2010，40(6)：1609-1613.

[12]许亚婷. 蚯蚓体表形貌及粘附特性研究[D]. 长春：吉林大学，2005.

[13]刘国敏. 蚯蚓体表减粘降阻功能耦合仿生研究[D]. 长春：吉林大学，2009.

[14]李安琪，任露泉，陈秉聪，等. 蚯蚓体表液的组成及其减粘脱土机理分析[J]. 农业工程学报，1990，6(3)：8-14.

[15]刘国敏，邹 猛，李建桥. 蚯蚓体表自润滑仿生应用试验研究[J]. 江西农业大学学报，2010，32(2)：378-382.

[16]许亚婷，李建桥，孙久荣，等. 蚯蚓体表形貌及润湿性的研究[J]. 华中农业大学学报，2005，24(增刊1)：40-43.