基于ABAQUS的马铃薯收获机凸包铲土板分析与优化

摘 要：马铃薯收获机铲土板工作过程中与土壤相互作用，会有大量土壤粘附到铲土板表面，为了提高农机的减粘降阻效果，学者们应用了大量仿生设计，凸包型就是其中之一，文章通过abaqus对平板、凸包板与土壤相互作用过程进行了模拟，比较两者在减粘降阻效果上的差异，分析原因后对凸包型铲土板的凸包排列形式进行一定的设计优化。

关键词：马铃薯获机；铲土板；减粘降阻；有限元模拟

农机中普遍含有一定量的触土部件，农机工作过程的效率与触土部件的减粘降阻效果有很大关系，应用仿生技术而设计的很多部件所具有的减粘降阻效果已经得到了实验验证，并且大量应用于实际生产。凸包型铲土板是仿生设计的一种触土部件的表面形式，凸包的数量、排列形式、分布形式均对减粘降阻的效果有一定的影响，针对这种类型的仿生设计有必要定量分析其与土壤的相互作用过程，以及其减粘降阻的成因，在一定程度上进行优化。

非光滑表面仿生设计形式多种多样，凸包型、凹坑型、波纹型、鳞片型等等。其中凸包型非光滑表面由于结构形式比较简单、生产加工较方便等特点应用最为广泛，并且在建模分析、仿真模拟上也较易实现，所以文章就选择这种形式的非光滑表面进行讨论。

1 凸包型铲土板-土壤接触有限元模型的建立

对于马铃薯收获机铲土板-土壤接触系统而言，其有限元模型主要包括土壤模型、铲土板模型以及马铃薯收获机铲土板-土壤接触模型。

1.1 凸包型铲土板模型

如图1所示为有限元分析中使用的马铃薯收获机铲土板几何模型，文章所采用的几何参数与某公司生产的土豆收获机铲土板相同。铲土板单片长513mm（工作时共左右两片），中心最大宽度为355mm，两边宽307.5mm，厚度为10mm；距离板后边缘32mm、119mm处分别均匀分布着8个、4个螺栓孔（因不是分析的重点为了分析方便未画出）；凸包为半径16mm、高8mm的球冠共三行每行8个。铲刀尖材料为65Mn钢其余部分为Q235，其弹性模量为2.11×108kPa，泊松比为0.288。

1.2 土壤模型

在分析过程中土壤的本构关系选取以及参数的确定对分析结果有直接影响，土壤的本构关系一般呈非线性性质，它不仅取决于土壤的类别，而且与应力历史、加载路线以及应力水平等有关[1]，很多学者提出了多种多样的本构关系模型，ABAQUS强大的非线性仿真功能提供了多种土壤的本构关系模型如Drucker Prager、Mohr Coulomb Plasticity等，在计算过程中只要输入相应的参数即可定义出相应的土壤材料属性，分析比较过程中选取相同的参数就可以屏蔽掉土壤环境变化对构件减粘降阻效果的影响，即只考察构件表面结构改变对减粘降阻所起到的作用，文章采用了应用上较为广泛的Drucker Prager。

根据所研究的实际情况，文章采用的土体材料参数为，弹性模量1250kPa，剪切模量为543.478kPa[2]，土壤泊松比0.15，切削工具一土壤摩擦角为24°[3-4]，并且不考虑切削速度对切削阻力的影响，ABAQUS中土壤参数按照图2所示的对话框进行设置。将材料赋予到提前建立好的三维模型后如图3所示。

1.3 凸包型铲土板-土壤接触模型

下面将接触模型在软件中的建立过程简要介绍：

（1）铲土板与土壤三维模型建立以后将铲土板与土壤的参数在property模块中输入并赋予至两三维模型中。

（2）在装配模块将两者相对位置确定以后于interaction模块下将两者接触情况设定好。

（3）在载荷模块下设定边界条件与载荷。

（4）在mesh模块下将两者按照一定的原则划分网格。

经过以上步骤就建立了abaqus下的铲土板有限与模型、土壤有限元模型以及两者的相互作用模型。

铲土板网格划分上要将三排凸包单独分区进行划分，并采用四边形为主的形式（Hex-dominated）形式，其他位置采用四边形网格（Hex）形式，C3D8R型单元为105号至1289号，C3D6型单元为1号至751号，节点共2376个。划分后的铲土板网格如图4所示。

土壤模型网格的划分同样采用分区划分的方法，将与铲土板相接处的位置采用以四边形为主的形式（Hex-dominated），并且适当提高网格密度，其他位置采用四边形网格（Hex），以保证计算精度，土壤模型信息可在inp文件中查看，C3D8R型单元为1号至9320号，C3D6型单元为6301号至9398号，节点共11046个。划分好的土壤网格模型如图5所示。

在铲土板与土壤实际接触位置接触属性设置为摩擦系数为0.445[3-4]的切向属性。

边界条件上，将土体下端完全固定，而为了计算结果便于收敛可以将铲土板的作用过程设置为两个分析步，在第一个分析步中施加一个较小的位移（0.01mm），在第二个分析步中施加一个较大位移（60mm）。

2 凸包型铲土板与土壤三维有限元仿真

在考察金属与土壤相互作用过程中减粘降阻效果的好坏上，一般都转化为考察在构件作用方向上的土壤位移情况，以及土壤与金属构件接触面方向上的应力情况，在相同的土壤环境、相同的边界条件下考察两种不同深松部件减粘降阻效果，应力越小、土壤位移越大、表明这种构件的减粘降阻效果越好。非光滑表面形式很多，凸包型构件中凸包的大小、分布便决定了这种非光滑表面设计的减粘降阻效果，一般第一排凸包的形式最为重要，它是由平面向凸包面过度的突变点，在这个位置上阻力反而会骤然增大，有文献表明可增大到16%左右[5]，为了改善这种情况文章不但对每排凸包的大小做了优化，还对整块板所有的凸包分布做了改进，仿真结果表明效果十分明显。

2.1 应力情况

由图6可以看出，对于凸包板而言，凸包附近颜色由蓝变绿，说明应力有较明显的增大趋势，同一排凸包形成了断断续续的应力增大带，两排凸包之间则构成了应力变化较小、平均应力较低的矩形区域，整个板应力情况呈现出有规律的波动，这说明凸包的存在改变了平板与土壤接触时的均匀分布的形式，使接触面积不断变化，减小粘附。

此外也可以看出在铲土板前缘刃口到第一排凸包之间平均应力较小，土壤滑过第一排凸包时的作用明显大于后两排凸包，说明均匀排布的凸包分布形式在土壤由平板区域过度到凸包阵列区域时阻力有上升趋势，这可能是由于铲土板表面形式突变较大引起的，需要进行改善，在这个点上可以采用由较小的凸包逐渐向较大的凸包过度的形式，减小突变量，进而减小土壤与凸包相互冲击带来的阻力。

2.2 土壤位移情况

凸包板相接触的土体表面上的位移，由于凸包的存在，使其分布无论沿切向还是法向均是非均匀的。这样，当土体沿凸包板表面运动时，使土体产生纵横两个方向扭曲和微振动，减少了界面层土壤的压实现象。另外，由于这两者的综合作用，使土体中的毛细管中的自重水易于排出到界面上，造成润滑效应，从而减少了粘附和摩擦。

3 凸包型铲土板的优化

为了改善上述凸包板表面形式的不足之处，根据分析所得到的结果，特将凸包做如下优化：将第一排凸包变为半径16mm，高4mm的球冠位置不变；将第二排凸包变为半径16mm，高6mm的球冠，每个凸包位置调整到第一排与三排中部；第三凸包的位置以及大小不变，优化以后的铲土板如图7。

3.1 应力情况

由图8可以看出，与未优化之前类似凸包附近有浅绿色的应力增大区域，但是范围明显减小，第一排凸包上的区域较之前的情况已经变得非常狭长，这说明凸包大小与阵列形式的改变对减小土壤的冲击阻力起到了作用。

3.2 土壤位移情况

（1）在铲土板运动方向上（U1，X轴方向上）不同位移量的分布区域大致相同，考察与铲土板相接处区域的具体数据，也基本一致，可见，铲土板表面形式的变化对其运动方向上的土壤位移影响不大。如图9。

（2）在垂直地面方向上的土壤位移情况则有较大区别，不同位移量的分布区域均有不同程度的扩展，考察与铲土板相接处区域具体的数据可以看到改进后的Y向位移增大近5%左右，说明改进后的表面形式提高了U2方向土壤的微振动，减小了土壤滑过表面形式突变处的冲击阻力，进而改善了此方向的位移情况。如图10。

（3）合位移方面，不同位移量的分布区域有所收缩，并伴有不同程度的位移量减小，在铲土板后方最为明显，而前方的分布情况变化不大，这说明改善应力情况是以减小铲土板后方位移为代价的。如图11。

4 结束语

（1）在土壤环境相同，边界条件一致的情况下，优化后的凸包型土豆收获机铲土板较未优化的铲土板在第一排凸包处的应力减小了12%左右，即有效的减小了由平面向凸包面过度时凸包与土壤的冲击阻力。

（2）分析中可以看到土壤的变化情况在不同方向上不尽相同，

这主要与土壤的非线性有关，在铲土板运动方向上土壤位移分布基本不变，垂直地面方向上有所改善，整体合位移上有所减小，整体看改进后的铲土板在土壤位移方面似乎有些不尽人意，可见在采用过渡型凸包分布形式后小而密的凸包在土壤位移方面更趋近于无凸包的平面形式，但却减小了冲击阻力，综合起来看改进后的铲土板更有利于减粘降阻。

参考文献

[1]郭志军，等.推土铲切削性能的二维有限元分析[J].拖拉机与农用运输车，2006，33（6）：30-32.

[2]郭志军.土壤深松部件高效节能仿生设计及有限元分析[D].长春：吉林大学，2002.

[3]GILL W R， VANDEN Berg G E. Soil Dynamics in Tillage and Traction. Agriculture Handbook， United States Department of Agriculture， 1967.

[4]SHEN J， KUSHWAHA R L. Soil-machine Interaction： A Finite Element Perspective [M].New York； Marcel Dekker，1998.

[5]王国林，任露泉，殷继红，等.凸包型推土板减粘降阻的有限元分析[J].吉林工业大学学报，1997（04）：81-86.