深松铲耕作土壤的建模与仿真分析

果　霖， 顾丽春， 李吉成， 张天会

(云南农业大学机电工程学院，云南昆明 650201)

土壤是农业生产中最重要的因素之一，但在传统的农业耕作方式下，我国土壤出现了板结、沙化、蓄水保肥能力下降等问题[1-2]。土壤深松是一种破坏坚硬犁底层的保护性耕作方法，深松作业主要通过深松铲完成，而深松铲在深松过程中所受阻力和功耗等问题仍有一定的改进空间，且深松作业范围较广，因此深松效率的细微提高都具有较大的实际意义[3-4]。本研究以旱地使用的弯曲式深松铲为对象，利用计算机仿真的方法对其深松过程进行数值模拟，通过数值模拟分析深松过程中土壤粒子的速度、应力、密度等特性的变化情况，以期为后续深松铲的优化设计提供一定的理论依据。

1　深松原理

在深松过程中，深松铲具将犁底层进行间隔式的破坏，形成一种相间存在的耕层鼠道构造，这种耕层鼠道构造可以有效地解决目前土壤退化、沙化、蓄水保肥能力下降等问题，提高土壤气体交换、养分吸收、水分保持、矿物质分解的能力，从而促进农作物产量的提高以及农业的科学发展[5]。深松作业形成的耕层鼠道构造示意如图1所示。

土壤切削可被看作土壤在外界切削作用下被分离成不同形状的过程。相关研究指出，不同深度土壤的失效形式不同，在靠近表层的位置，土壤会被撕裂或者向上运动，土壤的失效主要是剪切失效；在较深的位置，土壤的运动方向与深松铲的前进方向平行，土壤的失效形式主要是切削失效[5]。

2　深松耕作建模

2.1　土壤简化模型

农田可以被看作是一块没有边际的土壤，但由于受简化模型的限制，不能将土壤模型做得过大，本研究将土壤模型简化为一个长、宽、高分别为0.4、0.2、1.2 m的长方体，并配合相关约束条件模拟实际情况，采用有限元/光滑粒子流体动力学(finite element/smoothed particle hydrodynamics，简称 FE/SPH)方法对深松铲切削土壤的问题进行分析，因此在土壤简化模型中既含有传统的有限元网格，也包括SPH粒子[6-7]。土壤结构简化模型如图2所示。

2.2　深松材料模型

土壤模型所使用的是由LS-DYNA提供的MAT147(MAT_FHWA_SOIL)材料，它是一种基于修正的Drucken_Prager模型的塑性材料。深松铲采用65 Mn材料，其材料参数如表1所示。

表1　深松铲材料参数

2.3　深松铲结构模型

目前市面上深松铲种类繁多，本研究选择常用的旱地弯曲式深松铲进行分析，该深松铲由铲柄、铲头等2个部分装配组成，其主要结构尺寸为入土角23°，铲头宽度30 mm，刀柄刃角60°，深松深度30 mm，铲柄曲面半径248 mm，铲柄曲面弧度58°。

根据深松铲的相关结构参数，使用Freeform建立研究对象的三维参数化模型。

本研究将铲头和铲柄融合到一起，建立的深松铲三维模型如图6所示。

3　深松耕作仿真分析

3.1　建立分析模型

本研究的分析模型是基于FE/SPH的，首先将建立的深松铲模型导入到ANSYS中，并利用ANSYS建立拉格朗日网格土壤模型，然后利用LS-Prepost建立SPH部分模型，结果如图7所示。

3.2　增加分析条件

理论上所研究的应该是农田中一块无限大的土壤，但由于受到计算设备及算法等因素的限制，本研究只取1块较小的土壤作为研究对象，这块土壤在理论上应该是无边界，因此须要指定土壤模型相应界面是无边界的，本研究通过关键字*BOUNDARY_NON_REFLECTING设置土壤的边界条件[8]；通过关键字*CONTACT_AUTOMATIC_NODES_TO_SURFACE_ID定义SPH粒子和深松铲表面的接触类型为自动计算；通过关键字*CONTACT_TIED_NODES_TO_SURFACE_ID设置SHP粒子与拉格拉日网格之间的相互连接；通过关键字*DEFINE_CURVE、*DEFINE_VECTOR、*BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION_RIGID等定义深松铲的移动速度为2.0 m/s。

分析条件还涉及其他很多关键字，这里不再一一赘述。

4　结果与分析

通过求解计算，并对求解结果进行后处理即可得到相应的求解结果。

由图8可知，在0.2 s左右时，即深松铲刚进入土壤时，土壤的应力主要分布在深松铲的前后两侧；在0.4 s左右时，土壤的应力仍主要分布在深松铲周围，虽然深松过的土壤也残留了一些应力，但随着深松时间的增加，土壤的残余应力迅速减小。

图9是土壤粒子密度云，将其与图8进行对比，可以看出，经过深松铲深松作业的位置土壤粒子密度减小，说明在土壤中形成了一条沟壑。

由图10可知，经过深松作业之后，土壤粒子大幅增加，在短时间内土壤粒子的内能变化较小。

由图11可知，在0.3 s之前，由于深松铲尚未完全进入或者刚刚进入土壤，还没有达到一个较为稳定的工作状态，因此总能量的增加速率不断增大；而在0.3 s之后，深松铲已经进入较为稳定的工作状态，此时总能量与时间呈线性递增关系。

由图12可知，在0.3s之前，由于深松铲还没有处于一个比较稳定的工作状态，所以整个模型的动能呈增加的趋势；而在0.3 s之后深松铲已经进入稳定的工作状态，此时系统的动能趋于平稳。

由图13可知，由于模型的动能在总能量中所占的比例较小，所以模型的内能变化曲线与总能量变化曲线在趋势上相似，在数值上接近。

由上述分析可知，在深松过程中模型能量是由外界驱动机械提供的，这些能量主要增加分析模型的内能，且当模型动能稳定时，外界提供的能量基本转化为模型的内能，因此模型内能的变化速率也就是外界驱动机械提供能量的功率，也就是深松铲的工作功耗。

对图13所示的内能变化曲线进行求导得到图14所示的曲线，该曲线即为深松铲在深松作业时所需要的功率，可以看出，在0.3 s之后，曲线基本趋于平稳；在0.3～0.5 s之间取5个等距的时间点，在0～0.3 s之间取15个等距的时间点，然后将这20个点功率的平均值作为本试验的功耗值，即能基本确定研究对象在深松过程中所需要的功率为14.71 kW。

5　结论

由本研究结果可知，在深松过程中，土壤会受到较大的应力，但应力会在短时间内变小；在正常的工作情况下，深松模型的动能是守恒的；外界牵引力提供的能量主要转化为土壤粒子的内能；深松过后，深松铲经过位置的土壤粒子密度大大降低，土壤变得松软。分析结果可为后续深松铲的优化设计提供理论依据。

参考文献：

[1]王宏立，张伟. 基于Pro/E和ANSYS的深松铲有限元分析[J]. 农机化研究，2010(12)：33-36.

[2]张祥彩，李洪文，王庆杰，等. 我国北方地区机械化深松技术的研究现状[J]. 农机化研究，2015(8)：261-264，268.

[3]王志穷，王维新，李霞，等. 保护性耕作条件下深松技术的国内外发展现状[J]. 农机化研究，2016(6)：253-258.

[4]王宏立，张伟. 基于Pro/E的深松铲结构参数最优化设计[J]. 农机化研究，2011(1)：141-144.

[5]陈坤. 后掠式弧形深松铲柄的结构优化研究[D]. 长春：吉林农业大学，2012.

[6]马爱丽. 基于LS-DYNA果园螺旋开沟机模拟试验研究及其优化设计[D]. 武汉：华中农业大学，2008.

[7]刘辉. 基于LS-DYNA的旱地旋耕刀工作机理研究[D]. 重庆：西南大学，2012.

[8]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.