土壤采样器采样过程动力学仿真分析

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1、2015年9月农机化研究第9期土壤采样器采样过程动力学仿真分析1122温福军，王尚，赵新，吕恩利(1．广东交通职业技术学院汽车学院，广州510650;2．华南农业大学工程学院，广州510520)摘要:为研究土壤采样器在采样过程中的工作特性，建立了土壤模型;运用ANSYS的LS－DYNA对土壤采样器与土体的采样过程进行动力学仿真分析，并用瞬时动力学方法分析了采样筒贯入土体的动态过程。同时，通过LS－PＲEPOST后处理软件得出了土体中应力场的分布图，分析了土体中的应力分布，分析了贯入时对土样的扰动情况:采样过程中，土

2、体的轴向压缩量在采样筒头部与土壤接触处最大，而土样中心部位较小。关键词:土壤采样;采样筒;土体扰动;ANSYS中图分类号:S237文献标识码:A文章编号:1003－188X(2015)09－0065－05DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2015.09.014力场的分布图，分析了土体中的应力分布及贯入时对0引言土样的扰动情况。土壤采样是精准农业体系中的重要组成部分。我1工作过程国农田污染问题严重，随着我国对农业投入的不断加大，获取能保持土层次序的土壤样本及分析采样样土壤根据其自身采样要求，在设计和制

3、作土壤采本，从而改良农田土壤，合理调整种植结构的工作显样器过程中，把拖拉机作为其载体，根据工作要求，主得日趋重要。基于这种现况，人们对土壤采样提出了要由导向结构、采样装置器、液压结构及支撑结构组更高的要求。土壤采样器应该尽可能地满足要求，不成。其整体组织结构总装配图如图1所示。仅应能够取农田土壤，还应能够取不同土样做实验，土壤采样器通过两个支架固定在拖拉机的尾部，而且应尽量使取得土样更接近原始状态，从而有利于倒钩在支板上，支板与滑块板进行相互配合，使其在进行土壤肥力测定、土壤结构判断、容重测定及土壤块板的燕尾槽上能

4、进行自由的上下移动。上下移动结构分析等。土壤样品的获取，一般是通过将受到冲作用力主要靠液压系统获得，液压缸的行程范围是根击或是贯入土壤中的采样器提出来获取土壤样品，这据采样过程中采样器所受到的力设计出来的。燕尾种情况下，采样器的结构以及采样过程中，土样的质槽导轨可作为导向装置，不同深度的土壤采样可配以量会受到土壤的受力大小及扰动力度的影响。研究不同长度的采样器完成。这样能够保证采样筒在采土壤采样器贯入过程对土体产生的扰动及土壤采样样过程中沿着与导轨平行方向上下移动，防止偏斜;器结构对贯入过程中土体单元的应变影响，对

5、于取得而液压缸是通过螺栓固定在支撑块上，支撑块与架体的土壤质量起关键作用，对改良农田土壤具有重要意相交接。义。采样器结构如图2所示。将其通过销连接安装在为此，笔者进行了采样器与土体的采样过程动力学机械结构支架上，在液压系统的作用下，活塞杆推动仿真;运用ANSYS的LS－DYNA，对直压入式双筒薄壁支架，使采样器和支架一同沿着导轨下滑并贯入土壤采样筒与土壤相互作用的机理进行了三维动态分析，用中进行土壤采样;当采样结束后，液压缸将采样器由瞬时动力学方法分析了采样筒贯入土体的动态过程;通土中向上提出，从而保证土壤采样的顺

6、利进行。过LS－PＲEPOST后处理软件得出了土体中应2土壤模型建立收稿日期:2014－09－03利用有限元进行分析，不同材料与结构模型的选基金项目:国家自然科学基金项目(31101363);广东省交通运输厅科技项目(2013－02－092)取相当重要，它决定了计算与分析结构的可靠性及正作者简介:温福军(1982－)，男，广东梅州人，讲师，硕士研究生，(E－确性。在实践工程中，土壤的应力－应变的过程具有mail)wenfujun1@163．com。相当复杂的关系，具有弹塑性、非线性、剪胀性、粘塑通讯作者:赵新(19

7、65－)，男，呼和浩特人，副教授，博士，(E－mail)xinxin@scau．edu．cn。性、等各向异性性状的变化，同时不同的应力路径会·65·2015年9月农机化研究第9期使得土壤的结构、组成、温度和状态等造成一定的影响。在现实中并没有任何一种理想的模型能够适用于所有土壤类型和加载情况。土壤的本构理论研究目前有两种方向:一是实用模型主要为解决实际工程问题建立;二是较精细的理论模型主要为进一步揭示土体特定应力应变特性的内在规律。图2采样器实物图Fig．2Samplerphysicalfigure由于土壤属于颗粒

8、状材料，其受压屈服强度远大于受拉屈服强度，当材料受剪时，颗粒就会膨胀变形。Drucke－Prager弹塑性模型的屈服准则采用广义的VonMises屈服条件，主要是考虑了屈服特性受各向应力的影响，并能反映剪切应力所引起的膨胀性质，用于描述贯入过程土体的应力－应变关系可得到较为精确的结果。故本文有限元分析中土的本构模型采用能相对准确描述这类材料的Drucker－