仿生镇压辊减粘降阻的有限元分析与试验验证.pdf

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1、2014年7月农业机械学报第45卷第7期仿生镇压辊减粘降阻的有限元分析与试验验证佟金张清珠常原李默张磊磊刘昕(吉林大学工程仿生教育部重点实验室，长春130025)摘要：利用ABAQUS软件建立了传统镇压辊和仿生镇压辊与土壤相互作用的三维有限元模型。模拟结果中伪应变能约占内能的0．1％，传统镇压辊和仿生镇压辊的牵引阻力的模拟值和试验值相对误差分别为11．47％和2．38％，模拟值和试验值吻合较好，验证了模型的可靠性。从Mises应力云图、镇压辊与土壤接触面积和位移云图3方面对2种镇压辊的模拟结果进行了对比。结果表明：仿生镇压辊与土壤的接触应力显著大于传统镇压辊，更

2、利于将土壤表层的土块压碎；仿生镇压辊与土壤的接触面积比传统镇压辊降低了79．05％，有利于降低土壤与仿生镇压辊表面的粘附力，且土槽试验结果得到仿生镇压辊的粘附土壤量比传统镇压辊降低52．78％；仿生镇压辊表面的肋条结构能在一定程度上约束土壤流动，避免了壅土现象的产生；2种镇压辊的下陷量相差很小，压实阻力基本相同，但仿生镇压辊更利于压实表层土壤；传统镇压辊造成土壤沿镇压辊宽度方向的位移扰动量大于仿生镇压辊，需要消耗更多的功。土槽试验结果表明：与传统镇压辊相比，仿生镇压辊的阻力降低了28．66％。关键词：仿生镇压辊减粘降阻有限元分析中图分类号：$222．23；024

3、2．21文献标识码：A文章编号：1000-1298(2014)07—0085—08引言析仿生镇压辊减粘降阻的机理。1镇压辊压实土壤过程中的阻力分析镇压辊主要用于压实播种后的土壤⋯。无论是传统耕作还是保护性耕作，农田土壤的压实都是当镇压辊在土壤上滚动前进时，主要从以下影响作物产量的重要因素之一。适当的土壤压实能3方面消耗能量：够提高作物产量。理想的镇压辊应在保证所需(1)压实阻力R：压实阻力所消耗的功等于镇压实作用前提下具有较低的牵引阻力，减少土壤粘压辊在运动过程中对土壤形成沟辙或齿孔所消耗的附现象u。但是传统的镇压辊材料多为石材或钢功，R，直接与镇压辊下陷有关，

4、计算公式为n+1铁材料，其触土表面在宏观上为普通光滑表面，作业R=瑚(1)n十1时很容易因粘附土壤而增加对土壤的扰动和破坏，k使土壤失墒严重，影响种子的位置和种子发芽，而且其中K吉+k增加能耗，降低作业效率。为了解决镇压辊粘附的问题，基于臭蜣螂腹侧面的几何结构，设计了肋条型r31丽【J仿生镇压辊，并通过正交试验优化得到了减粘降阻效果最佳的仿生镇压辊。式中K——非弹性变形模量目前有限元方法已被成功地应用于土壤耕作部——与土壤内聚力有关的特性参数件与土壤相互作用的研究中¨。为了进一步探——与土壤摩擦力有关的特性参数。索仿生镇压辊减粘降阻的机理，本文在前期工作的B——

5、镇压辊的宽度n——沉陷指数基础上，以传统镇压辊和优化后的仿生镇压辊为研——镇压辊下陷量究对象，采用ABAQUS有限元软件建立镇压辊与土一镇压辊的载荷(包括镇压辊的重量)壤相互作用的三维模型，通过计算模拟结果中伪应D——镇压辊的直径变能与内能的比值，以及对比牵引阻力的模拟值和(2)推土阻力R：当镇压辊滚动时，镇压辊前方试验值来验证模型的可靠性。同时从Mises应力云会形成波浪状凸起(弓波形)，即“壅土”现象，如图、镇压辊与土壤的接触面积和位移云图3方面分图1所示。R为用于推移隆起土壤所消耗的阻力，收稿日期：2014一O3—04修回日期：2014一O3—24国家自然

6、科学基金资助项目(51075185)和国家农业科技成果转化资金资助项目(2013GB23600661)作者简介：佟金，教授，博士生导师，主要从事农业工程仿生理论与技术和仿生摩擦学研究，E-mail：jtong@jlu．edu．cn92农业机械学报2014钲9郭颖杰，李云飞，袁月明，等．春播镇压对淡黑钙土含水率影响的试验研究[J]．吉林农业大学学报，1999，21(2)：66—69．10张强，张璐，于海业，等．复合形态深松铲耕作阻力有限元分析与试验[J]．农业机械学报，2012，43(8)：61—65．ZhangQiang，ZhangLu，YuHaiye，eta1

7、．FiniteelementanalysisandexpRerimentofsoilresistanceofmultiplex—modalitysubsoiler『J]．TransactionsoftheChineseSocietyforAgriculturalMachinery，2012，43(8)：61—65．(inChinese)11ChirouxRC，FosterWA，JohnsonCE，eta1．Three—dimensionalfiniteQelementanalysisofsoilinteractionwitharigidwheel[J]．Appl

8、iedMathemati