土壤切削理论（精选3篇）
土壤切削理论 篇1
0 引言
近年来,随着国家对“三农”问题扶持力度的加大,各高校和科研院所对土壤切削及耕作力学进行了大量研究,研究分析方法主要包括传统的分析方法、离散单元法( Discrete Element Method,DEM) 和有限单元法( Finite Element Method,FEM)[1]。
传统分析方法假定土壤为刚塑性体,通过土壤切削试验分析土壤的破碎机理,运用数学物理方法,建立受力平衡方程组,并进行求解,求出耕作器具切削土壤阻力。由于不同的耕作部件耕作土壤会产生不同的阻力,因此传统的分析方法只适用于特定耕作部件的研究。
离散单元法基于牛顿第二定律,进行静平衡求解。在解决岩石块体、颗粒流动和破碎等非线性问题方面有着独到优势。但是,离散单元法计算量大,求解速度慢,限制了其广泛应用。同时,离散单元法忽略了模型中的接触非线性,导致计算结果不精确[2]。
有限单元法建立在固体流动变分原理之上,基于连续体介质力学,借助现代计算机求解技术,在现代设计方法中得到了广泛应用。由于土壤切削过程涉及到大变形、高度非线性等问题,如运用有限单元法对土壤切削进行数值分析计算,会因网格的畸变,造成求解的不收敛。
SPH( Smoothed Particle Hydrodynamics ) 算法是一种拉格朗日方法[3],在解决大变形、高速碰撞、爆炸等高度非线性的问题方面有着广泛的应用,但它在边界约束处理方面较为不便。
FEM在计算连续体介质的力学变形具有较高的效率和精度,SPH算法在模拟大变形、大破坏及高度非线性具有较大的优势。因此,将FEM与SPH算法进行耦合,在较大变形区采用SPH算法,较小变形区采用FEM算法,能够最大限度地发挥两种方法的优点,从而保证计算求解的精度和效率。
为了解决上述问题,基于有限单元法和SPH算法的特点,采用FEM和SPH耦合算法,以微耕机III型旋耕刀为例,对土壤切削过程进行了仿真研究。
1 FEM - SPH 耦合算法
SPH计算过程与FEM方法相似,都是基于连续体力学理论进行插值计算。二者的主要区别在于SPH算法将连续体离散成相互作用的粒子,而FEM则把连续体离散成连续作用的单元[4]。
SPH算法用积分表示法来近似场函数,通过相邻SPH粒子的核心估计值 ( Kernel Estimate) 进行积分求和。SPH质点核函数定义为
其中,W为光滑核函数,用公式表示为
式中h—光滑长度;
d—维数;
θ( x)—辅助函数;
W( x,h) —强尖峰函数。
辅助函数通过3次B—样条曲线定义,计算式为
其中,C为归一化场量; u为自变量。
光滑核函数W是偶函数[5],需满足如下条件
第1个条件是归一化条件,有
第2个条件是光滑长度趋于0时具有狄拉克函数性质,有
第3个条件是紧支性条件,有
其中,κ是点x处光滑函数相关的常数。
FEM与SPH的耦合通过固连点 - 面接触( TIED NODES - TO - SURFACE) 实现[6],如图1所示。SPH粒子绑定约束在FEM网格单元上[7],SPH粒子与网格单元之间的作用力运用罚函数约束进行传递[8,9]。
2 仿真模型
2. 1 FEM - SPH 耦合仿真模型的建立
在三维软件Pro /E中建立旋耕刀三维实体模型,以文件中间格式( 如iges和stp) 保存旋耕刀三维模型,运用网格划分软件HYPERMESH进行实体单元的离散,建立旋耕刀的有限元模型。由于旋耕刀具有较多的曲面,为了使仿真计算更好地收敛,对旋耕刀进行全六面体网格单元划分,如图2所示。
运用Pro /E软件建立土壤的三维模型,尺寸大小为600mm×600mm×400mm,在HYPERMESH中划分均匀六面体,导出K文件,建立土壤的有限元模型。运用LSTC公司的LS - PREPOST前后处理器建立变形区域的SPH粒子,粒子数目为102 400,建立的仿真模型如图3所示。
2. 2 土壤材料
土壤作为一种多孔介质,参数多而复杂( 如土壤密度、容重、土粒密度和孔隙度等) ,对于土壤材料的选择一直是 个难题。采用LS - DYNA程序中的MAT147( FHWA - SOIL) 材料作为研究对象,该材料基于Mohr - Coulomb屈服准则,并修正了Drucke - Prager( D - P) 塑性模型[10,11],且该材料增加了塑性硬化、含水率、应力软化和变形率等参数,能够比较好地反映土壤特性,所取土壤材料的参数如表1所示。
2. 3 边界条件
为了加速求解,定义旋耕刀为刚体[12,13]。SPH粒子均匀布置,对FEM - SPH土壤模型施加SPC约束,限制土壤的两侧面和底面自由度; 添加无反射边界条件( NON - REFLECTING) ,模拟地球物理学系统的无限大空间; 耕深为110mm,耕宽为30mm。旋耕刀与土壤间的接触形式定义为点 - 面接触[14],滑动界面惩罚因数0. 2,动摩擦因数为0. 18,静摩擦因数0. 20[15]。图4为某时刻土壤切削仿真。
3 仿真结果分析
3. 1 切削力分析
在实际耕作过程中,旋耕刀受到的是交变载荷,受力比较复杂。主要受到前进方向的阻力Fx和竖直方向的阻力Fy,此二力的合力称为切削力[16,17]。由图5可看出,在切削过程中,在旋耕刀切削土壤的初始阶段,由于切削力的作用,土粒之间的结合键被破坏,土壤发生失效断裂; 随着旋耕刀与土壤的接触面积增加,耕作深度加深,更多的土壤被切削,切削力逐渐增加,在耕深最大处,切削力达到最大值; 随着旋耕刀出土,耕深变浅,切削力减小。此现象与实际耕作现象土壤的破坏及受力大小的变化一致。
由旋耕刀力矩和功率公式[18,19],有
其中,T为力矩( N·m) ; Fx为水平阻力( N) ; Fy为垂直阻力( N) ; L0为接触长度( m) ; t0为旋耕刀切削土壤时间( s) 。
旋耕刀的切土功率为
其中,P为旋耕刀切土功率( W) ; vm为旋耕刀前进速度( m /s) 。
计算出旋耕刀的单刀切土扭矩为8. 75 N·m,与文献[19]的计算结果及合盛1Z - 80微耕机旋耕刀的扭矩试验结果相接近( 最大扭矩为10. 5 N·m) ,验证了土壤切削仿真的可靠性。
3. 2 切土能量分析
旋耕刀切削土壤的总能量主要包括自身运动动能和内能[20],在耕作过程中二者相互转化,如图6所示。在0 ~ 0. 052s之间,旋耕刀切土深度较浅,此时旋耕刀的总能量主要是指旋耕刀的动能; 而内能较小,随着旋耕刀切削土壤的深度加大,土壤内能显著增加,土壤总能量增加较快。由于旋耕刀旋转速度和前进速度不变,因而旋耕刀动能不会增加,土壤总能量的增加主要是指内能的增加。在0. 2s时刻旋耕刀出土,内能不再增加,切土能量保持平稳。
4 试验设计
为了得到耕作深度、耕作幅宽、前进速度和旋转速度对微耕机耕作效率的影响,建立4因子3水平正交试验表,如表2所示。
5 试验结果分析
由表3可分析知,当耕作幅宽从30mm增大到50mm时,功率从62. 51W增加到194. 24W。结果表明: 耕作深度比耕作幅宽对切土功率的影响显著; 耕作深度为主导因子,调整耕作深度可有效降低土壤切削的功耗,提高耕作效率。
由表4极差分析可知,耕作深度对切土功率影响最为显著。各个因子对功率的影响强弱顺序为A→B→D→C,即耕作深度、耕作幅宽、旋转速度和前进速度。
由表5方差分析知,所得结论与表4极差分析一致,再次说明了耕作深度对切削土壤的功率影响最大。
6 结论
通过运用三维实体造型软件Pro /E和专业网格划分软件HYPERMESH软件以及LS - DYNA前后处理器LS - PREPOST,建立了旋耕刀和土壤的FEM - SPH耦合仿真模型。
基于FEM - SPH耦合算法,采用MAT147土壤材料和国家标准Ⅲ型旋耕刀,结合LS - DYNA971求解器,对土壤切削仿真进行了研究。研究结果表明: 基于FEM - SPH耦合算法,可有效地解决土壤切削大变形问题地能真实的反映土壤耕作过程。通过理论计算出旋耕刀切土扭矩·为8. 75Nm,与试验结果相接近。
以耕作深度、耕作幅宽、旋转速度和前进速度为影响因子,运用正交试验设计,通过极差和方差分析了在不同因子水平条件下对切土功率的影响。结果表明: 耕作深度对切土功率影响最大,通过调整耕作深度可有效降低耕作过程的切土功耗,提高耕作土壤的效率,为进一步研究切削土壤的破碎机理和耕作器具的优化设计提供了理论依据。
土壤切削理论 篇2
第一章 土壤 第一节 土壤概述
一、土壤的几个概念
1、土壤：土壤(Soil)是陆地表面由矿物、有机物质、水、空气和生物组成、具有肥力且能生长植物的未固结层。“陆地表面”说明土壤在地球上所处的位置；“矿物质、有机物质、水、空气和生物”则是土壤这一物质客体的基本必要组成分；“具有肥力，能生长植物”说的是土壤的基本特性，即具有肥力；“未固结层”指其物理状态之疏松多孔，明显有别于坚硬固结的岩石等。
2、土壤肥力：在植物生活的全过程中，土壤具有能供应与协调植物正常生长发育所需的养分、水分、空气和热量的能力，这种能力称为土壤肥力。
根据肥力产生的主要原因，可将之分为自然肥力和人为肥力。自然肥力是由自然因素形成的土壤所具有的肥力。也就是土壤在自然因素综合作用下发生和发展起来的肥力。由耕作、施肥、灌排、改土等人为因素作用形成的土壤肥力称为人为肥力。人为肥力是在自然土壤经过开垦耕种以后，在人类生产活动影响下创造出来的。
3、土壤有效肥力：在一定农业技术措施下反映土壤生产能力的那部分肥力称为土壤有效肥力，又称为经济肥力，受环境条件和科技水平限制暂不能被植物利用的那部分肥力称为潜在肥力，土壤潜在肥力在一定条件下可转化为有效肥力。
4、肥料：凡能够直接提供植物生长的必需的营养元素的物料，称为肥料。肥料又可分成有机肥料和化学肥料。
二、土壤的作用
1、土壤作为农业生产的基地和基本生产资料。农业生产主要是由植物生产、动物生产和土壤管理三个环节组成。
2、土壤是植物生长的载体，因此还能给提供大部分生命必需元素。植物生长所需的水分、养分主要是通过其根系从土壤中吸收的。
3、土壤是一种十分重要的自然资源，它是一种不可再生型资源，因为土壤的形成和更新速度非常缓慢，而土壤质量的破坏却可能是极为迅速的。因此，合理开发利用与保护土壤资源是全人类的一项迫切而又长远的历史任务。
三、土壤与肥料学发展概况 1、1910年以后，先后在北京大学农学院、金陵大学农学院、中央大学农学院、浙江大学农学院和西北农学院的农艺化学系建立了土壤学科。2、1930年在中央地质调查所成立了土壤研究室。3、1931年在广东农业厅成立土壤调查所。4、1957年中国农业科学院土壤肥料研究所，在各省农业科学研究所地力监测工作基础上开展了第一次全国肥料试验网工作。5、1958年开展了全国第一次土壤普查。6、1979年开始，进行了全国第二次土壤普查。7、2006年全国推广测土配方施肥技术。
四、土壤肥料在农业可持续发展中的地位与作用
1、土壤肥力是地球生命中能量和物质交流的库容。肥沃的土壤能持续协调地提供农作物生长所需的各种土壤肥力因素，保持农产品产量与质量的稳定与提高。
2、土壤养分是土壤肥力最重要的物质基础，肥料则是土壤养分的主要来源，因而也是农业可持续发展的重要物质基础之一。
土壤切削理论 篇3
土壤耕作既是对农田土壤进行机械处理使其适合农作物生长的过程,也是一种复杂的耕作机具对土壤作用的物理过程,土壤结构、耕作部件形状、土壤与耕作部件间相互作用等均对其产生重要影响。研究土壤结构模型及土壤与耕作部件间关系对掌握耕作过程理论规律,减少切削阻力,节约能源消耗,优化耕作部件设计有重要的实际意义[1]。
1 土壤切削与有限元法
1.1 土壤耕作与土壤切削
生产实践表明,土壤在耕作部件作用下的变形和破坏是有规律的, 其作用效果基本可控。在耕作过程中,耕作部件对土壤产生力的作用,使其原始结构和状态发生变化。耕作部件与土壤作用关系的研究可通过两种方式进行[2]:一是对耕作部件土壤接触系统施与一定的假设从而推求描述耕作过程的理论预测模型, 并通过试验加以验证或修改,以期指导耕作部件设计;二是通过试验并反复修正方式, 寻找描述土壤状态的各个机械特性参数及它们的经验性关系。
对典型耕作机具如铧式犁、旋耕机对土壤的耕作过程进行分析,均可以发现,其工作实质均是使待耕土壤在铧式犁、旋耕刀的刀刃切割作用下发生分离破坏,因此对土壤耕作过程的研究可以从刃型刀具对土壤的切削过程开始。对此,国内外学者采用有限元法进行了大量的研究。
1.2 有限元法介绍
有限元是数学、力学及计算机科学相互渗透、综合利用的边缘科学,是现代科学在工程计算方面最令人鼓舞的重大成就之一[3]。有限元的基本思想是运用离散化的概念,假设空间连续体被分割成数目有限的单元(子域),并认为相邻单元(子域)之间仅在节点处相连,单元间的相互作用力也仅由节点传递。根据物体的几何形状特征、载荷特征、边界约束特征等,选取各种类型的单元,节点一般都在单元边界上。在此基础上,根据分块近似的思想,对每一单元假设一个简单的函数模拟其位移分量的分布规律,即选择单元位移模式(位移模式取决于单元的自由度和有关解的收敛性要求),再通过虚功原理或变分原理求得每个单元的平衡方程,从而建立单元节点力与节点位移之间的关系。最后,把所有单元的这种特性关系按照保持节点位移连续和节点力平衡的方式集合起来,就可以得到整个物体的平衡方程组,在引入边界约束条件后可以求解此方程。
在切削刀具把土层从土壤割离的过程中,土壤不断受到刀具的挤压、剪切和抛送,被切离的土壤会产生松散(体积增大)和挤压的现象,土壤与土壤之间、土壤与切削部件之间都会发生摩擦。利用前述理论推导的方法,难以考虑上述实际切削过程中的复杂变化情况,因此在对切削过程的模拟及切削力的估计中普遍存在精度不高的缺陷。采用有限元法中的离散化思想,采取适当的土壤本构模型,对土壤受到切削时的力学性质进行模拟,结合不同的单元划分形式以及刀具与土壤间的接触假定,依靠传感器等装置测定并确定被切削土壤的边界条件,能够较好地模拟土壤与刀具间的相互作用关系,提高模拟精度。近年来,计算机技术的快速发展以及各种有限元软件的不断开发利用,使得土壤切削过程研究出现新的进展。
2 国外研究情况
1977年,Yong和Hanna[4]采用二维有限元方法分析了在平面宽齿耕作部件作用下土壤中的应力分布和变形状况,以及耕作部件的法向和切向应力的分布问题,率先开展了有限元法对土壤切削过程模拟的研究。同时,开展实际切削试验,验证了有限元法所得结论的正确性。
1993年,Kushwaha[5]针对矩形、三角形和曲线3种形状的耕作部件,采用三维非线性有限元分析开展了对某种粘土的切削过程模拟研究,并对这3种情形进行了对比。与试验的方法相比,有限元法能够较好地预测耕作部件的牵引力。
1998年,Abdul和Miklos[6]采用非线性三维有限元分析了具有不同宽度和角度的刀柄和刀头组合而成的深耕铲的土壤切削问题,计算使用商用软件COSMOS/M1.71,采用Drucker-Prager非线性弹塑性模型,材料非线性用增量方法处理。几何非线性的考虑有两种情形:一是采用小变形假设;二是采用大位移条件下的修正Lagrange公式。研究表明:铲头翼张角为15°,铲柄后倾与水平面75°切削阻力最小。
2001年,Abdul等[7]用COSMOS/Design STAR1.0FEM软件分析了深松铲对沙性土壤的切削过程影响情况,采用了Drucker-Prager理想的的弹塑性模型,假设土壤为均质材料,忽略切削速度、深松铲的安装角度和尺寸形状、土壤与金属之间的粘附力的影响。通过正交回归试验得出牵引力与土壤的含水量容积密度和切削深度之间的回归方程为
D=-33.74w+73.253d2+2.565ρ2
式中 D—牵引阻力;
w—土壤含水率;
d—切削深度;
ρ—土壤容积密度。
2003年,Mootaz Abo-Elnor[8]使用ABAQUS有限元软件通过预先定义土壤的失效面,通过考虑剪切率对土壤抗剪强度和土壤金属摩擦的影响,进行了土壤与耕作部件动态三维有限元分析;使用Dancan-Chang双曲应力应变模型,研究刀具切削速度和加速度对切削阻力的影响。研究结果表明,切削速度对切削阻力的影响不大,而切削加速度对切削阻力的影响很大,切削阻力随着加速度的增大而增大。
2007年,Karmakara和R.L. Kushwaha[9]采用计算流体力学( CFD )模拟高速土壤耕作过程,将土壤的流变行为特性定义为Binghem材料,采用控制体积法发现土壤的应力与刀具的运动有关,土壤的最大应力在刀刃附近,且沿着刀刃纵向减小,土壤的应力随着刀具速度的增加而增大。
3 国内研究情况
1983年,谢晓谜[10]以东北农业土壤为研究对象,对有限元法在耕作土壤中的应用进行了探讨:模拟了土壤在简单刀具切削作用下的材料非线性、几何非线性、土壤/刀具的界面作用以及滑移、裂纹等物理力学现象,建立了相应的数学模型,同时进行了各种切削角度的室内切土试验。预侧值与实测结果表现了良好的一致性,表明有限元法为耕作土力学的研究及耕耘工具性能的预测提供一个严格定量分析的适用的理论解决方法。
1987年,刘燕和后之明[11]对窄刀板切削过程进行了三维双非线性有限元分析,在常规三轴仪测得数据的基础上,建立了农业土壤的弹塑性力学模型。根据土壤一切削部件相互作用过程的特殊关系,用所提出的摩擦单元模拟了土壤和部件的相互作用。
2002年,郭志军[12]等采用二维有限元分析了抛物面型耕作部件的切削性能。在不考虑切削速度的影响下,采用理想弹塑性本构关系,对土壤与耕作部件之间的相互作用用二维间隙单元模拟。研究结果表明,抛物线型耕作部件对耕作部件尖端底部土壤有压实现象,并认为抛物线型耕作部件比直线型耕作部件的切削性能更好。
2002年,陆怀民[13]采用粘弹塑性帽盖模型,在不计土壤与刀面间的摩擦条件下,对土方工程机械切土部件与粘性土壤的相互作用过程作进行有限元分析。程序用FORTRAN语言编写,研究了切刀表面的应力及其合力,以及土体内各点的应力与位移。
2006年,刘仁辉[14]用ANSYS/LS-DYNA3D程序对弹体以不同入射角方向侵彻土壤的过程进行了有限元数值模拟,分析了弹体在土壤中的位移、速度和加速度等变化情况,得到了弹体在土壤中的相关运动规律。
2007年,丁峻宏[15]用自适应网格划分、ALE以及SPH等解决大变形的方法,针对一个简化的切削模型进行了盾构刀盘刀具的大规模三维切削仿真分析,仿真选用的是LS-DYNA中的MAT147材料模型,这一模型对标准的莫尔—库仑准则进行了修正[16]。对3种方法进行土壤切削仿真的结果进行分析和比较,结果表明,3种不同的方法在解决土壤切削大变形时各有特点。其中,ALE方法在更为细致的软粘土盾构三维开挖仿真中得到的结果与试验数据较为一致。
4 问题与展望
土壤切削问题的深入研究是近二三十年来各国农业工程研究人员的重要课题之一。以往的研究中通常采用了刚体静力学方法、量纲分析法或塑性极限平衡方法。这些方法对土壤阻力等问题的预测取得了一定成果,但是由于各自存在局限和不足,都无法得到完整的定量分析结果。
国内外学者应用有限元仿真土壤的切削过程研究表明,有限元分析的结果要比运用模型预测值更加接近于实际值[17]。有限元法普遍考虑了耕作部件和土壤接触系统的几何、物理及边界等非线性问题,甚至高速耕作问题,因此有限元在土壤切削过程中的应用有很大的发展空间,能用来预测土壤的应力分布、变形状况、破坏位置、耕件部件的法向和切向应力分布[18],进而为耕作部件形状的优化设计、减少耕作阻力降低能耗提供依据。
但由于下列问题的存在,使得有限元法在土壤切削过程的模拟中,仍需要开展更深入的研究。
4.1 问题
1) 由于用有限元处理土壤切削问题时首先要选取较为精确的土壤本构关系,而至今仍没有一种本构关系能够适应所有的土壤状况,这将限制有限元法模拟土壤切削过程精度的提高。
2) 耕作过程中存在多种非线性现象,要使有限元法能更精确地处理这一动态接触过程,还需要对多种非线性现象,如土壤耕作部件相互作用、土壤的大变形等采用更加合理、精确的数学模型来描述。
3) 有限元法在模拟土壤切削求解过程中会出现如负体积、沙漏、节点速度过大等问题,致使计算时间长,结果难以收敛,求解困难等缺点,对于结果的准确性也造成影响。
4) 在建立有限元模型时一般加入了人为的假设限定条件,与真实条件存在差别,致使模拟结果与实际情况存在差异。
4.2 展望
1) 当前采用有限元法研究土壤的切削问题,主要集中于分析给定形状的耕作部件在不同运动参数下的模拟,或给定运动参数在不同形状的耕作部件条件下模拟及对比。开展在形状、运动等多参数综合交互作用条件下的切削过程有限元模拟值得深入研究。
2) 当前用有限元法分析土壤切削过程,对于土壤中的其它混合物如秸秆、根茬等考虑不多,土壤条件也多确定为单一均匀耕作层。对于随深度性质变化或有秸秆混合的复杂土壤条件下的切削过程有限元法模拟,值得开展研究。