犁曲面的動(dòng)力學(xué)仿真研究

安徽農業(yè)科學(xué), Joumal of Anhui agri.Sci2009,37(23):1110-11162貴任編輯?？∠阗F任校對張士敏犁曲面的動(dòng)力學(xué)仿真研究張延2,劉娟(1.大連理工大學(xué),遼寧大連116024;2.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院河南開(kāi)封475004;3.開(kāi)封廣播電視大學(xué)河南開(kāi)封475004)摘要采用數學(xué)軟件 MathCAD建立了翻土型犁曲面的數學(xué)模型,利用 ANSYS/LS-DYNA建立了犁曲面一土壤系統顯式動(dòng)力分析的仿真模型,并通過(guò)物理樣機試驗對模型的仿真結果進(jìn)行了驗證。關(guān)鍵詞犁曲面;顯式動(dòng)力分析;牽引阻力中圖分類(lèi)號S22.1文獻標識碼A文章編號0517-6611(2009)23-11160-03Simulation Study on Kinetics of Plow SurfaceZHANG Yan et al Dalian University of Technology, Dalian, Liaoning 116024)Abstract The mathematical model of uncovering plow surface was established with mathematical software MathCAD. The simulation model ofplow surface-soil system for explicit dynamic analysis was established with ANAYS/LS-DYNA, and its simulation result was verified by physical prototype.ey words Plow surface: Explicit dynamic analysis; Traction resistance犁作為農業(yè)田間作業(yè)的基本工具對農業(yè)生產(chǎn)起著(zhù)重要作用。犁的工作性能(即碎土、翻土性能),主要由犁曲面的形狀決定。另外,犁曲面的形狀還直接決定著(zhù)犁耕的工作效率。目前,犁曲面的形狀優(yōu)化已成為國內外許多學(xué)者研究犁圖公0體工作性能的關(guān)鍵。1犁體曲面的工作原理犁體曲面的功能主要表現為起土、翻土和碎土,其工作過(guò)程如下:(1)切垡:鏵刃和脛刃分別沿水平和垂直面切出土垡的底面和左側面,其耕深為a耕寬為b犁體運動(dòng)方(2)推垡:被切出的土垡在犁鏵面和犁胸的作用下,左邊被抬起繞右下角D點(diǎn)回轉。(3)翻垡:土垡在回轉過(guò)程中,通過(guò)直立狀態(tài)然后在犁翼的作用下繼續繞C'點(diǎn)回轉,最后靠在前一行程的土垡上(圖1)假定土垡在翻轉過(guò)程中不變形、無(wú)側移并且始終繞一棱圖1翻垡過(guò)程角轉動(dòng),則每一垡片在翻轉后均保持確定的幾何位置。實(shí)現Fig1 Turming pro土垡的穩定鋪放即徹底翻扣(不出現回垡現象)是犁體曲面直線(xiàn)I和直線(xiàn)Ⅱ交點(diǎn)的坐標可通過(guò)(1)(2)聯(lián)立求得工作和設計的關(guān)鍵。是否回垡主要取決于犁曲面的形狀,即曲面的設計參數及耕深、耕寬等。(3)以臨界狀態(tài)為研究對象確定土垡翻轉過(guò)程中不產(chǎn)生回yg=xg·tane垡的基本條件,可為犁體曲面的設計提供參考。經(jīng)計算,土垡的寬深比一般為k≥1.27。k值稍大可保證翻垡穩定,但K值過(guò)大時(shí)單犁體幅寬和垡塊較大,形成的壟溝較深。一般輕沙壤土k=1.1~1.5,一般土壤k=1.3~2.0,黏重潮濕土壤k2犁曲面數學(xué)模型的建立2.1導曲線(xiàn)的數學(xué)模型由圖2可知直線(xiàn)和Ⅲ的方程可分別表示為l:y=x·tane(1)中國煤化工I:y=h-(x-L)·tan(90°-Ae)CNMHGI基金項目河南省教育廳自然科學(xué)基金(2006116作者簡(jiǎn)介張延(1973-),男,滿(mǎn)族,河南開(kāi)封人,項士,講師,從事數控圖2導曲線(xiàn)的形成原理技術(shù)、CAD/CAM技術(shù)研究ig 2 Formation principle of oriented curve收稿日期200904-2237卷23期張延等犁曲面的動(dòng)力學(xué)仿真研究11161xD(n)=00·cosb+x(n)·sin(5)yD(n)=o0′·sina-x(n)·cos其中,6為初始元線(xiàn)角。經(jīng)整理,得曲面元線(xiàn)表達式為Z=Z(n)x= x(n)=ly(n)-yD(n)+tane (n).xD(n)/tan (n)2.3在 Math CAD中建立犁體曲面的數學(xué)模型選擇耕深a、耕寬b導曲線(xiàn)高度與開(kāi)度比n、直線(xiàn)I和Ⅱ被分割的份數m切土角e、導曲線(xiàn)兩端點(diǎn)切線(xiàn)夾角a、直線(xiàn)段長(cháng)度S、初始元線(xiàn)角B、元線(xiàn)號n、元線(xiàn)角6(n)、防漏耕的重疊寬度△b(4b=20~30mm)和最小元線(xiàn)角所在高度z為自變量2。其中,a、b、m、S、B0、和z為固定自變量,、E、a、n和6(n)為可變自變量。土垡的耕深和耕寬為a=30mm、b=450mm,犁曲面最高點(diǎn)h=570mm選擇適當的直元線(xiàn)數目不僅可較圖3犁體曲面輪廓圖準確地表達犁曲面的形狀,還不會(huì )過(guò)多增加繪制犁曲面所用的時(shí)間,因此選取Mh=30mm,故直元線(xiàn)數目為20條,元線(xiàn)逐個(gè)將直線(xiàn)I和直線(xiàn)Ⅱ上相應的點(diǎn)連接求出該組數的號n的取值范圍為0-19直線(xiàn)段長(cháng)度一般為S=30-60最小值即為導曲線(xiàn)上相應于元線(xiàn)號n的開(kāi)度數值,其坐標mm,當S取較大值時(shí)翻土作用較強。因此取S=60mm。防為漏耕的重疊寬度4b=20mm,直線(xiàn)和Ⅱ被分割的份數m=∫x(n)=x(n,)712,初始元線(xiàn)角B0==90mm。根據相關(guān)資x(n)=△(4)料,求得土垡鋪放角6=5106°,圖3中鏵刃線(xiàn)末端點(diǎn)B的22犁體曲面的數學(xué)模型假設第n根直元線(xiàn)與導曲線(xiàn)交坐標為(647,470,0),壁翼線(xiàn)端點(diǎn)E的坐標為y=65g點(diǎn)的坐標為xD(n)yD(n),由圖3中的俯視圖得到以下幾56壁翼線(xiàn)與鏵翼線(xiàn)的交點(diǎn)D的坐標為yo=253,=90,得何關(guān)系直元線(xiàn)表達式:hh+-.tan(w-e)s·coss·sinEx(n, i)=s cose +i.tan(are)+tang+[AH n-s sine +i.tan(are)+tane.hhhan(o-e)tan(w-ehi.tan(a-e)+tane IL-s c0e-itan(are tang-scoNetan (are ) tanEhh-nn(a-。e)+·tan(a-e)tanean(are)+tangtan(crg)+tanstan(ωE)+tanetane + Is·snE-根據輪廓點(diǎn)的橫坐標確定直元線(xiàn)方程中x的取值范圍。5.58和573kN改變元線(xiàn)號n將得到一系列直元線(xiàn)的參數方程。從而得到不同的直元線(xiàn)表達式和不同的犁曲面模型。根據得到的犁曲面的直元線(xiàn)參數方程,在Po/ Engineer中創(chuàng )建犁體曲面的實(shí)體模型3顯式動(dòng)力學(xué)有限元分析基于已建立的犁曲面一土壤系統的仿真模型,退出ANSYS前處理,進(jìn)入 LS-DYNA求解器,對能量選項、體積粘滯系數、求解時(shí)間等進(jìn)行設定,并將系統合力( RCFORO)等的中國煤化工ASCI信息寫(xiě)人關(guān)鍵字文件(K文件),將K文件輸入ISDYNA求解器進(jìn)行求解計算。求解結束后,在 Isprepostd后處ICNMHG理程序中可察看犁曲面翻土的仿真過(guò)程(圖4)。犁耕過(guò)程圖4犁體曲面翻土仿真中犁體所受的牽引阻力如圖5所示。耕作速度分別為1.33、Flg. 4 The curved turning simulation of plow body200和233m/s時(shí),犁曲面所受到的牽引阻力分別為5.4、11162安徽農業(yè)科學(xué)2009年五8s8四五卡型881. 33 w/sa 8時(shí)間Tims時(shí)間Tms時(shí)間Tims田5曲面受力曲線(xiàn)Fig. 5 The curved force curve4仿真模型的驗證物理試驗與仿真試驗的誤差分別為88%6.3%、3.8%。說(shuō)釆用仿真試驗獲得的牽引力和物理試驗獲得的牽引力明所建立的犁曲面模型具有較高的精度,可用于模型仿真研對比驗證仿真模型。該研究將仿真試驗得到的數據與丁金究工作。玲的研究結果進(jìn)行比較(犁曲面參數相同),由表1可知,參考文獻衰1仿真試驗結果與物理樣機試驗結果的比較農業(yè)機械學(xué)(上冊)[M].北京:中國農業(yè)出版社,200:323Table 1 Tbe comparison between simulation test results and physica2]北京農業(yè)工程大學(xué)農業(yè)機械學(xué)(上冊)M]2版北京:中國農業(yè)出版machine test results社,194:10-11l拖拉機前進(jìn)犁耕牽引阻力/kN[3]電機工程手冊編委員會(huì )機械工程手冊(第65篇)[M]北京機械速度∥m/sTraction resistance of plowing田間實(shí)際情況仿真試驗結果誤差/%[4]石林呂釗欽景奉水等計算機在犁體設計中的應用研究[]山東Actual field situations Simulation test resError農業(yè)大學(xué)學(xué)報2001,31(2):161-16[5]尚曉工蘇建字,王鋒等 ANSYS/IS-DYNA動(dòng)力分析方法與工程實(shí)5.25[6]丁金玲ID40型深耕犁犁架的仿真優(yōu)化研究與優(yōu)化設計[D].南5.525.73寧:廣西大學(xué),2007(上接第1114頁(yè))用地和水域面積呈減少趨勢。東北黑土區土地利用變化轉的惡化為代價(jià)。經(jīng)濟規模的擴大以及建設用地(城鎮、農村換情況主要為:林地向耕地轉換草地向耕地轉換、未利用地居民點(diǎn)、工礦、道路等)的擴張導致優(yōu)質(zhì)耕地減少,坡地和陡向耕地轉換以及耕地向城鎮工礦用地轉換。坡地的開(kāi)墾使得林、草地遭受破壞,從而造成生態(tài)環(huán)境的惡(2)在自然因素和人文因素的綜合驅動(dòng)作用下東北黑受經(jīng)濟利益的驅動(dòng)同時(shí)又因將草地和林地開(kāi)墾為耕地土區土地利用發(fā)生了顯著(zhù)的變化,人地系統矛盾突出。的代價(jià)較低的緣故促使人們大面積地毀林毀草以開(kāi)墾耕此制定合理的土地利用政策,調整產(chǎn)業(yè)結構與土地經(jīng)營(yíng)方地。由此可見(jiàn),農作物與牧業(yè)產(chǎn)品的價(jià)格比的變化也是土地式促進(jìn)東北黑土區農業(yè)生產(chǎn)持續發(fā)展和加速區域環(huán)境整治利用發(fā)生變化的因素之一。已勢在必行。城市化進(jìn)程是社會(huì )經(jīng)濟發(fā)展的必然產(chǎn)物隨著(zhù)國民經(jīng)濟參考文獻的進(jìn)一步發(fā)展,城市擴張和居民地增加是現在乃至將來(lái)的發(fā) TURNERII B L, SKOLE D, SANDERSON S, et al. Land-use and展趨勢。宏觀(guān)政策對土地利用也是有重要影響的,它引導著(zhù)er change, science/ research plan( IGBP Report No 35, HDP RepoIM]. Stockholm and Geneva: IGBP of the ICSU and HDP o社會(huì )的經(jīng)濟生產(chǎn)活動(dòng),進(jìn)而影響土地利用的方式和強度。例如在20世紀80年代中期,由于畜牧產(chǎn)品價(jià)格下跌而糧食2 JONATHANAF, RUTH DEFRIES, ASNER GREGORY P, et al. Globalsequences o land use[J]. Science, 2006,309:570-574.價(jià)格受到國家政策的保護,使得開(kāi)荒種地比經(jīng)營(yíng)畜牧業(yè)更有[3]賈寧鳳姚春龍徐振君土地利用生態(tài)系統分析及服務(wù)價(jià)值估算利可圖,加上受全國新一輪開(kāi)發(fā)后備土地資源浪潮的影響以北京市平谷區白各莊村為例[]中國生態(tài)農業(yè)學(xué)報2006,14(3)致使許多牧民棄牧從農,導致草地減少,耕地增加。20世紀[4]劉遠國家資源環(huán)境遙感宏觀(guān)調查與動(dòng)態(tài)監測研究[冂遙感學(xué)報,90年代后期以來(lái),隨著(zhù)吉林省和黑龍江省“生態(tài)省建設”工97,31(1):25-20[5]擺萬(wàn)奇,賢忠內蒙古自治區奈曼旗土地利用變化預測研究[小]資程的實(shí)施,退耕還林還草等生態(tài)保護措施才得到加強。源科學(xué),2003,25(2):73結論與討論中國煤化工()東北黑土區生態(tài)環(huán)境建設和農業(yè)持續發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)今CNMHG祝[]中國生態(tài)農業(yè)學(xué)報題在于解決好水土資源的持續利用與保護。該文的研究結[8]李平,車(chē).找國現階段土地利用變化驅動(dòng)力的宏觀(guān)分析果表明,1986~2000年期間東北黑土區土地利用的主要變[刀.地理研究201,20(2):I2-138.化為:耕地和城鎮工礦地面積呈增加趨勢,林地、草地、未利