鄧　濤，常　影，趙玉山，陳成展，安超杰，鄭旭強(qiáng)

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，最主要的一項(xiàng)工作就是耕地，耕地質(zhì)量也在很大程度上影響農(nóng)作物的生長(zhǎng)的好壞[1-3]。但是由于老式鏵式犁在泥土潮濕的條件下工作時(shí)粘連土壤，會(huì)影響工作的效率以及耕種的效果[4]。因此通過(guò)現(xiàn)代仿生的技術(shù)手段，對(duì)大自然中的蜣螂進(jìn)行形體仿生，克服老式鏵式犁的粘連泥土的缺點(diǎn)，并根據(jù)現(xiàn)有的CATIA建模以及分析技術(shù)，對(duì)得到的模型進(jìn)行靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)分析，比較不同凹凸表面以及不同凹凸面連貫方式的鏵式犁的工作結(jié)果，得到鏵式犁凹凸表面模型[5]。

1　CATIA在建模中的應(yīng)用

在建模過(guò)程中，CATIA提供了可改變的變量及參數(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化建模的目標(biāo)，通過(guò)歷史樹(shù)可多次對(duì)已經(jīng)完成的模型進(jìn)行修改和實(shí)驗(yàn)，CATIA軟件還提供了用于直觀查看的曲面設(shè)計(jì)分析工具可直接對(duì)模型進(jìn)行修改設(shè)計(jì)[6]。利用CATIA軟件進(jìn)行新式鏵式犁表面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)于凹凸面的選擇以及犁體、犁壁的設(shè)計(jì)有先進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)，并將可以多次在CATIA軟件中對(duì)模型修改，以實(shí)現(xiàn)新式鏵式犁的總體創(chuàng)新建模設(shè)計(jì)。

2　鏵式犁的仿生設(shè)計(jì)

在鑄造鏵式犁時(shí)，考慮到犁壁的耐磨不夠、耐用等特性，除了犁體本身，一般使用耐磨圖層、多層鋼制夾板先進(jìn)技術(shù)制成[7]。傳統(tǒng)的鏵式犁表面雖然整體光滑，但對(duì)于粘連的泥土不能很好地清除掉，導(dǎo)致耕種工作的效率低下。吉林大學(xué)鄧石橋在仿生犁壁的研究過(guò)程中，分析了螳螂表面的突起形狀，且研究表明，螳螂的凸起形狀適合在土壤中運(yùn)動(dòng)，而且較為圓滑[4]。因此，應(yīng)用CATIA軟件對(duì)鏵式犁的建模就可以得到較為合理的鏵式犁模型。按照蜣螂的圓滑表面進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)，改進(jìn)鏵式犁的表面凹凸[8]。

3　實(shí)驗(yàn)過(guò)程

3.1　建模過(guò)程

根據(jù)蜣螂表面的圓滑凸起特性，發(fā)現(xiàn)不同的凸起對(duì)鏵式犁有不同的工作結(jié)果，文中選取蜣螂光滑凸起的半徑為26 mm，并且選取凸起高度為3 mm[9]。在田間實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，含有此凸起的鏵式犁，可以提高脫土率的0.9%～2%，提高生產(chǎn)效率20.5%[9]。應(yīng)用CATIA軟件，在前人的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究，建立了半球形蜣螂表面的仿生凸起模型。如圖1所示。

鏵式犁的凸起，按照先建立鏵式犁犁體曲面，逐步建立犁壁、犁鏵的過(guò)程。采用的是水平直圓線的建模方式，研究過(guò)程中采用新式犁體BTU35型[10]。在CATIA軟件中應(yīng)用相關(guān)命令功能建立基礎(chǔ)線，其中底邊長(zhǎng)度為280 mm，底邊與第一斜邊夾角為40°，最大圓弧半徑為400 mm，如圖2所示。利用肋的命令第一斜邊作為輪廓曲線，邊界豎直線作為邊界線，沿著圓弧掃略出鏵式犁犁體曲面[11]。

圖1凸起形狀模型圖2仿生鏵式犁犁體

完成犁體的建模，設(shè)計(jì)仿生非光滑犁壁平面時(shí)，凸起單元坐標(biāo)參考了吉林大學(xué)的李建橋、金俊等人研究成果[9，12]。輸入凸起點(diǎn)坐標(biāo)如圖3，把凸起按照坐標(biāo)的形式聯(lián)系在一起，用X，Y作為坐標(biāo)，保證每個(gè)凸起按照xy的坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模設(shè)計(jì)，仿生鏵式犁的三維模型如圖4所示。

圖3 仿蜣螂體表非光滑凸包單元坐標(biāo)[9-10](mm)圖4犁體模型(a)凸起點(diǎn)得位置(b)整體模型

4　分　析

4.1　模型的處理

在CATIA中建立模型，設(shè)計(jì)耕幅100 mm，設(shè)計(jì)耕深240 mm，建立一個(gè)長(zhǎng)寬高為2 000 mm×200 mm×320 mm的土壤模型，保存為stp文件，導(dǎo)入Sliodworks軟件中，把仿生鏵式犁模型格式另存為xt文件。然后再新建一個(gè)ANSYS LS-DYNA分析將轉(zhuǎn)換格式模型導(dǎo)入，得到分析模型。

表1　鏵式犁體材料屬性參數(shù)

4.2　土壤切削模型參數(shù)設(shè)置

(1)單元類(lèi)型。根據(jù)現(xiàn)有的研究成果，犁體模型和土壤模型均設(shè)置為solid164單元。

(2)材料屬性。犁體材料選用16Mn[10]，材料屬性如表1。

結(jié)合犁體在運(yùn)動(dòng)中的作用，將犁體設(shè)置為剛體，這樣不僅能提高精度還能大大縮短運(yùn)算時(shí)間，根據(jù)犁體實(shí)際運(yùn)動(dòng)的情況限制犁體在Y和Z方向的移動(dòng)和X、Y、Z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖6。

圖5犁體材料和約束圖6土壤材料模型

根據(jù)土壤物理及力學(xué)特性對(duì)其采用塑性隨動(dòng)模型；其材料參數(shù)如下土壤密度ρ2=2.08×103kg/m3，彈性模量E2=1.0×106，泊松比μ2=0.4，土壤屈服應(yīng)力σ=0.08×106Pa，切線模量Ev=0.01×106Pa，失效應(yīng)變Sf=0.8，應(yīng)變率c=40，p=5。

(3)網(wǎng)格劃分。由于犁體模型形狀較為復(fù)雜，對(duì)其只能采用自由網(wǎng)格劃分[13]，對(duì)于仿生犁體模型采用智能尺寸8級(jí)精度，形狀規(guī)則的土壤條采用掃略網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量采用控制邊長(zhǎng)法。圖7為犁體曲面劃分好的網(wǎng)格形狀。

(4)定義接觸。在整個(gè)犁體運(yùn)動(dòng)中犁面和土壤屬于侵蝕的過(guò)程，所以定義犁曲面和土壤之間的接觸為面—面侵蝕接觸(ESTS)，并將犁曲面定位接觸面，土壤定義為接觸目標(biāo)面[14]。

圖7 (a)普通犁網(wǎng)格(b)仿生犁網(wǎng)格

(5)約束、載荷的設(shè)置。在耕翻過(guò)程中，被翻起土壤下面的土壤和犁體左側(cè)的未耕土壤是固定不動(dòng)的，因此需將土壤條模型的下底面和Y軸正方向的側(cè)面的全部自由度約束住[15-16]。載荷設(shè)置為犁體以5Km/h沿著X軸方向切割土壤。在犁進(jìn)入土壤之后，在土壤的阻力作用下，應(yīng)該對(duì)時(shí)間和速度的相應(yīng)關(guān)系進(jìn)行定義，使得鏵式犁在土壤中勻速的前進(jìn)[15]。

(6)輸出設(shè)置。輸出文件選擇LS-DYNA類(lèi)型，可在LS-Prepost中處理，并將系統(tǒng)合力寫(xiě)入ASCII文件，用于輸出接觸面接觸反力。全部參數(shù)設(shè)置完成，寫(xiě)入K文件以進(jìn)行后續(xù)的處理。

4.3　結(jié)果分析

將K文件手動(dòng)遞交給ANSYS Mechanical/LS-DYNA，設(shè)置相關(guān)參數(shù)，啟動(dòng)運(yùn)算。求解結(jié)束后，打開(kāi)LS-DYNA后處理器LS-Prepost，讀取包含整個(gè)模型繪圖狀態(tài)的D3PLOT文件，可顯示犁體切割土壤的全過(guò)程如圖8。

圖8(a)普通犁的切割狀態(tài)圖8(b)仿生犁的切割狀態(tài)

打開(kāi)ASCII文件中的rcforce文件，可顯示犁體的總耕作阻力隨時(shí)間的變化曲線，如圖9。第一條曲線的最大值635 N，第二條曲線的最大值為722 N，可以很清晰的看出仿生犁比普通犁降低阻力87 N。

圖9(a)普通犁的阻力曲線圖9(b)仿生犁的阻力曲線

5　結(jié)　論

總結(jié)仿生犁的原理和仿生犁研究的情況，結(jié)合CATIA軟件的特點(diǎn)對(duì)仿生犁進(jìn)行建模。應(yīng)用ANSYSLS-DYNA軟件對(duì)普通犁和鏵式犁分別進(jìn)行劃分網(wǎng)格和受力分析，仿真結(jié)果表明，在土壤中工作時(shí)，仿生鏵式犁比普通鏵式犁受到的阻力小87N。驗(yàn)證了本文的目標(biāo)。仿生非光滑犁體曲面能夠很好的降低耕作時(shí)的阻力。

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