基于EDEM的轻型凿式深松铲土壤耕作载荷仿真分析.docx

基于EDEM的轻型凿式深松铲土壤耕作 载荷仿真分析顿国强陈海涛李兴东纪文义朱海宋文龙东北林业大学机电工程学院东北农业大学工程学院摘要：以轻型凿式深松铲为研究对象，利用EDEM建立其离散元仿真模型，确定深松铲 土壤深松作业过程中的耕作载荷组成，并采用单因素试验方法分析了入土深度 及作业速度对土壤耕作载荷的影响结果表明:深松铲土壤耕作阻力主要由前进 阻力及垂直阻力组成，土壤耕作阻力及其前进、竖直分量随着作业速度及入土深 度的增大而增大，且土壤耕作阻力与两作业参数间皆成抛物线型二次函数关系； 同时，土壤耕作阻力的波动状况随入土深度的増大及作业速度的减小而减小该 研究可为深松铲的研究提供一定的依据关键词：EDEM;轻型凿式深松铲;土壤耕作阻力;载荷波动;作者简介：顿国强(1986-),男，哈尔滨人，讲师，博士，(E-mail) dun-guoqiangl986@163・ com收稿日期:2006-12-24基金：双一流专项(41112417)Simulation Analysis of LightChisel一type Subsoiler Soil TillageLoad Based on EDEMDun Guoqiang Chen Haitao Li Xingdong Ji Wenyi ZhuHai Song WenlongCollege of Meehtronic Engineering, NortheastForestry University; Engineering College,Northeast Agriculture University;Abstract：Light chisel-type subsoiler was selected as research object and its soil deep loosening process has been simulated by EDEM, acquired subsoi1 er mag nitudc t 订 lagc rcsis tancc and its every axis comp orient his tory data， subsoiler soil tillage resistance is mainly determined by forward and normal component. Single factor test method was used to analyze the influence of subsoiler soil cutting depth and operating speed on soil tillage load, the resuIts indicate that soi 1 tillage resistance and its forward and nonual component increased with working veloeity and soil cutting depth" s increasing, there is a parabolic quadratic function correlation between soil tillage resistance and its component and operating speed and soil cutting depth, meanwhile, soil tillage resistances fluetuation state decreased with the increasing of soi1 cut ting dep th and the dccrcasi ng of working veloe ity. The research provide a reference for the study of subsoiler.Keyword：EDEM; light chisel-type subso订er; so订 tillage resistanee; load fluctuation;Received： 2006-12-24o引言保护性耕作技术通过釆用深松、少耕及免耕播种技术代替传统的耕翻式整地技术, 可有效提高土壤的蓄水保墙、抗旱、抗水蚀风蚀能力，以及土壤的有机质含量， 培肥地力［1-2］。

深松铲作为保护性耕作机具深松机的关键部件，其性能优良与 否直接影响土壤的深松效果国内外学者通常采用仿生设计、有限元仿真及试验 研究等方法［3-8］,对深松铲进行设计研究:如白景峰、李博及吕秀婷等设计了狗 獲爪趾式仿牛深松铲，并进行了试验研究;张强与贾洪雷等利用有限元法对仿牛 钩形深松铲耕作阻力进行分析研究及试验验证;王景立及刘选伟等利用ANSYS Workbench进行了弧形深松铲模态分析研究;王宏立及张伟利用Pro/E和ANSYS 对深松铲进行有限元静力学分析;齐关宇、刘林及赵艳忠等采用试验的方法研究 了入土深度及铲形对深松铲耕作阻力的影响;李博及刘凡一等虽利用离散元法进 行了深松铲耕作阻力的仿真分析研究，但并不深入本研究采用EDEM建立凿式深松铲的离散元仿真模型，并对其载荷进行空间分解, 确定载荷的主要组成同时，采用仿真试验的方法分析作业参数对深松铲耕作阻 力及载荷波动状况的影响1深松铲土壤深松仿真1.1颗粒接触模型为描述深松铲土壤深松过程中土壤颗粒间及土壤颗粒与接触部件间的瞬态力学 行为，EDEM系统默认多种接触力学模型［9-10］,以模拟不同的颗粒接触力学特 性本研究采用EDEM2. 4版本系统默认的Hertz-Mi ndl in (no slip)接触力学 模型［11-⑵,此接触模型的法向及切向力由Hertz接触理论及Mindlin模型确 定，且载荷包括由阻尼系数及恢复系数确定的阻尼分量，切向摩擦力库仑摩擦 定律确定。

此模型具有较高的计算精度，颗粒单元(Hertz-Mindlin)接触力学 模型如图1所示ru—切向阻尼法向刚度-VvW^-——I I-法向阳尼切向刚度摩擦()(x)()图1颗粒接触力学模型Fig. IModel of particle contact forces 下载原 图颗粒接触力学模型中，颗粒接触法向力F法及法向阻尼力F法的表达式为其中，E为颗粒材料杨氏模量（1 _ #；）~~eT~;R为颗粒等效半径,E1、&2、匕、少2为两接触颗粒的接触2松比；当量质量为丄二—+ —m m{ m2的法方向分量；接触刚度系数0二 刚度系数S法= 2・E・页;聲警密触切向力及切向阻尼力由切向交叠量及切向刚度确定，其接触法向力表 达式为其中,；G为当量剪切模量；v切为颗粒运动速度的切方向分量;切向力F切由摩擦库仑力卩法・u限制，u为材料接触摩 擦因数1. 2深松铲土壤深松过程仿真参考农业机械设计手册[13],按适用30cm深松铲标准GB/T9788-1999,利用 Solid Works2009建立轻型凿式深松铲的三维实体模型（见图2）,并将深松铲 模型另存为・igs格式文件下载原图图2深松铲三维实体模型Fig. 2Deep shovel 3 D model利用EDEM 2. 6建立凿式深松铲的离散元元仿真算例，选用Hertz-mindlin (no-slip)模型定义土壤颗粒之间、土壤颗粒与深松铲及土槽之间的颗粒接触力, 查阅相关文献[14-18],确定模型仿真参数设置如表1所示。

表 1 模型仿真参数设置 Table 1 Parameters setting of model Simula tion 下载原表项目属件参数土壤泊松比剪切模量/P&密度/kg - m-3土槽、深松铲泊松比剪切模量/Pa密度/kg • m-3土壤-土壤恢复系数静摩擦因数动摩擦因数土壤-土槽、深松铲恢复系数静摩擦因数动摩擦因数为真实模拟深松铲的土壤深松过程，在保证运算结果正确的基础上，尽量降低 计算机的运算量，土壤颗粒采用球体建模，颗粒半径5mm;软件自动计算土壤颗 粒的质量属性[19],并将上述建立的深松铲实体模型导入EDEM仿真算例模型， 设定深松铲的作业速度为lm/s,方向为x轴负向，z轴负向为重力加速度方向 同时建立颗粒工厂及土槽实体模型，土壤颗粒数量40 000,生成速度z轴负向 5m/s,生成速率100 000个/s,仿真步长5.831 9X10s,记录数据时间间隔 0. 000 5s,则深松铲的土壤深松离散元仿真模型如图3所示深松铲图 3 深松铲离散元仿真模型 Fig. 3 Chisel-type deep shovel discrete element simulation model 下载原图 如图4所示，利用EDEM 2. 6后处理模块提取凿式深松铲的土壤深松过程的土壤 绝对耕作阻力及其各轴方向分量数据。

土壤耕作绝对阻力及X轴分量/N5> 1~15obOo2CJloQ *•5/-"s4O o1 1 1■ 1■ 1■ 1■ 1■ 1■ 1■ iMagnitude force X axis force［阻力y、z轴分量/N0・2()•亠F6()—5()—10()()・8H43b、szsvta\一.图 4 深松铲土壤耕作阻力 Fig. 4 Chisel-type deep shovel soil cutting force 下载原图由图4可知:凿式深松铲的土壤耕作阻力随着时间的推移，由0开始逐渐增大 其中，绝对土壤耕作阻力与其x轴分量具有相同的变化趋势，两力值的变化范 围为150〜375N之间；z轴分量为负值，即土壤对深松铲的竖直方向阻力向下，深 松铲有自行入土的功能，且其力值在-240^-11 ON范围内变动;y轴分量数据在 50N范围内波动;R所有载荷数据在0. 7s后趋于稳定；由上述分析可知:深松铲 土壤耕作阻力主要由前进分量及竖直分量决定深松铲的土壤耕作阻力统计数据 如表2所示表2载荷数据统计Table 2 Statistic of loading data 下载原表绝对值先轴分量y轴均值295.37234.56Z■■标准差34.2833.04r最大值374.83305.745(最小值34.2833.04-4。