深松铲耕作阻力影响因素的离散元法仿真分析

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1、2015年2月农机化研究第2期深松铲耕作阻力影响因素的离散元法仿真分析1112李博，刘凡一，陈军，史江涛(1．西北农林科技大学机械与电子工程学院，陕西杨凌712100;2．西安亚澳农机股份有限公司，西安710300)摘要:在建立了三维土壤颗粒模型的基础上，应用离散元法研究了耕深及耕速对深松铲耕作阻力的影响。在0．4～0．8m/s的耕速变化范围内，耕深分别为180、220、260mm的条件下，进行了仿真，并对接触力场和速度场进行了分析。结果表明，随着耕深及耕速的增加，耕作阻力均会增大，与理论研究相符。本

2、研究可为今后进一步优化深松铲提供依据。关键词:深松铲;耕作阻力;离散元法;仿真分析+中图分类号:S222．129文献标识码:A文章编号:1003－188X(2015)02－0071－04DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2015.02.017维土壤颗粒的非线性力学模型，对土壤颗粒加入0引言了平行粘结来模拟液桥力，采用离散元分析软件深松作业有利于提高土壤的蓄水能力，改善土壤PFC3D对深松铲工作过程进行仿真。深松铲的设计结构，减少土壤水蚀，为农作物的根系生长创造良好要求是用较小的耕作阻力

3、来产生良好的深松效果，因环境。深松铲是深松机最主要的工作部件，对深松效而研究影响深松铲耕作阻力的因素有着重要的意义。果乃至整机的性能有着直接的影响。很多学者采用影响深松铲耕作阻力的因素有很多，本文从耕深和耕［1－4］有限元法对深松铲进行了研究，然而在耕作过程速这两方面来进行研究。中土壤颗粒的运动及土壤的破裂变形无法用有限元1模型建立法准确地表示出来，不能很好地分析深松铲的工作过程。离散元法作为一种分析离散物质的不连续数值1．1深松铲模型模拟方法，突破了将土壤看成连续体的限制，为研究准确建立出深松铲的模

4、型对于分析深松铲工作深松铲与土壤之间的相互作用提供了全新的思路。过程十分关键。本文采用三维造型软件Pro/E对深近年来，一些学者应用离散元法进行了相关方面松铲进行了三维建模。深松铲按照实物进行1:1建［5－10］的研究，也取得了一定的成果。目前，采用离散模，在导入离散元软件PFC3D之前，对模型进行了网元法建立的农业机具工作部件模型和土壤模型通常格化处理，处理后的结果如图1所示。是二维的建模分析，这与实际中三维实体的差距过大，会产生仿真分析不够准确的问题。对于土壤的建模，只考虑颗粒之间的接触力和摩擦力

5、而没有考虑粘结力的影响，或者仅在接触点处给予粘结作用，忽略了颗粒间的旋转限制，导致仿真结果与实际的差距较大。另外，土壤内水分形成的液桥力对土壤颗粒间作用力的影响还需考虑。本文对深松铲进行了精确的三维建模，建立了三图1深松铲模型收稿日期:2014－01－14Fig．1Modelofthesubsoiler基金项目:“十二五”国家科技支撑计划项目(2011BAD29B08);高等1．2土壤颗粒模型学校学科创新引智项目(B12007)为模拟田间实验所用土壤，正确地建立出土壤模作者简介:李博(1988－)，男

6、，太原人，博士研究生，(E－mail)nw-suaf_lb@126．com。型尤为重要。自然状态下，土壤是由土壤固体颗粒、通讯作者:陈军(1970－)，男，宁夏固原人，教授，博士生导土壤水分和存在于土壤孔隙中的空气3类物质组成。师，(E－mail)chenjun_jdxy@nwsuaf．edu．cn。因此，仅仅将土壤简化为固体颗粒是不够准确的。土·71·2015年2月农机化研究第2期壤中所含的水分类型有吸湿水、膜状水、毛管水和重续表1力水。其中，毛管水对颗粒间受力的影响最大，毛管参数单位数值水以液桥的

7、形式对土壤颗粒间相互作用产生影响。土壤颗粒间切向阻尼系数0．6本文对土壤颗粒进行三维球元建模，基于传统离平行粘结半径放大系数1．0散元理论，除考虑土壤颗粒间的接触力、摩擦力外，还加入了平行粘结来表示颗粒间的液桥作用。图2为平行约束法向刚度Pa/m1e6建立的i和j两个土壤颗粒的接触模型。法向与切向平行约束切向刚度Pa/m1e6弹簧代表颗粒间接触力，摩擦力用摩擦滑块表示，平平行粘结法向强度Pa1e6行粘结弹簧代表平行粘结作用，法向与切向阻尼器表平行粘结切向强度Pa1e6示粘滞阻尼的影响。离散元仿真过程在

8、一个长1m、宽0．5m、高1m的土槽中进行，采用已建立的土壤颗粒模型在该土槽中生成三维土壤颗粒，将深松铲模型导入。当颗粒达到平衡后，设定深松铲在指定耕深和耕速的条件下进行工作。3数值仿真结果图2土壤颗粒模型3．1耕深对深松铲耕作阻力的影响Fig．2Modelofsoilparticles图3为深松铲在耕速0．6m/s，耕深分别为180、220、260mm条件下的接触力分布图。图4为深松铲2模型土壤微观参数的确定在相同耕速不同耕深下的速度分布图。其他不同耕