安徽農(nóng)業(yè)科學, 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力學仿真研究張延2,劉娟(1.大連理工大學,遼寧大連116024;2.黃河水利職業(yè)技術(shù)學院河南開封475004;3.開封廣播電視大學河南開封475004)摘要采用數(shù)學軟件 MathCAD建立了翻土型犁曲面的數(shù)學模型,利用 ANSYS/LS-DYNA建立了犁曲面一土壤系統(tǒng)顯式動力分析的仿真模型,并通過物理樣機試驗對模型的仿真結(jié)果進行了驗證。關(guān)鍵詞犁曲面;顯式動力分析;牽引阻力中圖分類號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(nóng)業(yè)田間作業(yè)的基本工具對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)起著重要作用。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犁耕的工作效率。目前,犁曲面的形狀優(yōu)化已成為國內(nèi)外許多學者研究犁圖公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(xiàn)為起土、翻土和碎土,其工作過程如下:(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(cè)面,其耕深為a耕寬為b犁體運動方(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點回轉(zhuǎn)。(3)翻垡:土垡在回轉(zhuǎn)過程中,通過直立狀態(tài)然后在犁翼的作用下繼續(xù)繞C'點回轉(zhuǎn),最后靠在前一行程的土垡上(圖1)假定土垡在翻轉(zhuǎn)過程中不變形、無側(cè)移并且始終繞一棱圖1翻垡過程角轉(zhuǎn)動,則每一垡片在翻轉(zhuǎn)后均保持確定的幾何位置。實現(xiàn)Fig1 Turming pro土垡的穩(wěn)定鋪放即徹底翻扣(不出現(xiàn)回垡現(xiàn)象)是犁體曲面直線I和直線Ⅱ交點的坐標可通過(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(shù)及耕深、耕寬等。(3)以臨界狀態(tài)為研究對象確定土垡翻轉(zhuǎn)過程中不產(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(wěn)定,但K值過大時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(shù)學模型的建立2.1導曲線的數(shù)學模型由圖2可知直線和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基金(2006116作者簡介張延(1973-),男,滿族,河南開封人,項士,講師,從事數(shù)控圖2導曲線的形成原理技術(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力學仿真研究11161xD(n)=00·cosb+x(n)·sin(5)yD(n)=o0′·sina-x(n)·cos其中,6為初始元線角。經(jīng)整理,得曲面元線表達式為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(shù)學模型選擇耕深a、耕寬b導曲線高度與開度比n、直線I和Ⅱ被分割的份數(shù)m切土角e、導曲線兩端點切線夾角a、直線段長度S、初始元線角B、元線號n、元線角6(n)、防漏耕的重疊寬度△b(4b=20~30mm)和最小元線角所在高度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h=570mm選擇適當?shù)闹痹€數(shù)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,還不會過多增加繪制犁曲面所用的時間,因此選取Mh=30mm,故直元線數(shù)目為20條,元線逐個將直線I和直線Ⅱ上相應的點連接求出該組數(shù)的號n的取值范圍為0-19直線段長度一般為S=30-60最小值即為導曲線上相應于元線號n的開度數(shù)值,其坐標mm,當S取較大值時翻土作用較強。因此取S=60mm。防為漏耕的重疊寬度4b=20mm,直線和Ⅱ被分割的份數(shù)m=∫x(n)=x(n,)712,初始元線角B0==90mm。根據(jù)相關(guān)資x(n)=△(4)料,求得土垡鋪放角6=5106°,圖3中鏵刃線末端點B的22犁體曲面的數(shù)學模型假設第n根直元線與導曲線交坐標為(647,470,0),壁翼線端點E的坐標為y=65g點的坐標為xD(n)yD(n),由圖3中的俯視圖得到以下幾56壁翼線與鏵翼線的交點D的坐標為yo=253,=90,得何關(guān)系直元線表達式: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(jù)輪廓點的橫坐標確定直元線方程中x的取值范圍。5.58和573kN改變元線號n將得到一系列直元線的參數(shù)方程。從而得到不同的直元線表達式和不同的犁曲面模型。根據(jù)得到的犁曲面的直元線參數(shù)方程,在Po/ Engineer中創(chuàng)建犁體曲面的實體模型3顯式動力學有限元分析基于已建立的犁曲面一土壤系統(tǒng)的仿真模型,退出ANSYS前處理,進入 LS-DYNA求解器,對能量選項、體積粘滯系數(shù)、求解時間等進行設定,并將系統(tǒng)合力( RCFORO)等的中國煤化工ASCI信息寫人關(guān)鍵字文件(K文件),將K文件輸入ISDYNA求解器進行求解計算。求解結(jié)束后,在 Isprepostd后處ICNMHG理程序中可察看犁曲面翻土的仿真過程(圖4)。犁耕過程圖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,犁曲面所受到的牽引阻力分別為5.4、11162安徽農(nóng)業(yè)科學2009年五8s8四五卡型881. 33 w/sa 8時間Tims時間Tms時間Tims田5曲面受力曲線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(shù)據(jù)與丁金究工作。玲的研究結(jié)果進行比較(犁曲面參數(shù)相同),由表1可知,參考文獻衰1仿真試驗結(jié)果與物理樣機試驗結(jié)果的比較農(nóng)業(yè)機械學(上冊)[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,200:323Table 1 Tbe comparison between simulation test results and physica2]北京農(nóng)業(yè)工程大學農(nóng)業(yè)機械學(上冊)M]2版北京:中國農(nóng)業(yè)出版machine test results社,194:10-11l拖拉機前進犁耕牽引阻力/kN[3]電機工程手冊編委員會機械工程手冊(第65篇)[M]北京機械速度∥m/sTraction resistance of plowing田間實際情況仿真試驗結(jié)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(nóng)業(yè)大學學報2001,31(2):161-16[5]尚曉工蘇建字,王鋒等 ANSYS/IS-DYNA動力分析方法與工程實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,2007(上接第1114頁)用地和水域面積呈減少趨勢。東北黑土區(qū)土地利用變化轉(zhuǎn)的惡化為代價。經(jīng)濟規(guī)模的擴大以及建設用地(城鎮(zhèn)、農(nóng)村換情況主要為:林地向耕地轉(zhuǎn)換草地向耕地轉(zhuǎn)換、未利用地居民點、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(zhuǎn)換以及耕地向城鎮(zhèn)工礦用地轉(zhuǎn)換。坡地的開墾使得林、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(qū)動作用下東北黑受經(jīng)濟利益的驅(qū)動同時又因?qū)⒉莸睾土值亻_墾為耕地土區(qū)土地利用發(fā)生了顯著的變化,人地系統(tǒng)矛盾突出。的代價較低的緣故促使人們大面積地毀林毀草以開墾耕此制定合理的土地利用政策,調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與土地經(jīng)營方地。由此可見,農(nóng)作物與牧業(yè)產(chǎn)品的價格比的變化也是土地式促進東北黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)持續(xù)發(fā)展和加速區(qū)域環(huán)境整治利用發(fā)生變化的因素之一。已勢在必行。城市化進程是社會經(jīng)濟發(fā)展的必然產(chǎn)物隨著國民經(jīng)濟參考文獻的進一步發(fā)展,城市擴張和居民地增加是現(xiàn)在乃至將來的發(fā) TURNERII B L, SKOLE D, SANDERSON S, et al. Land-use and展趨勢。宏觀政策對土地利用也是有重要影響的,它引導著er change, science/ research plan( IGBP Report No 35, HDP RepoIM]. Stockholm and Geneva: IGBP of the ICSU and HDP o社會的經(jīng)濟生產(chǎn)活動,進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.價格受到國家政策的保護,使得開荒種地比經(jīng)營畜牧業(yè)更有[3]賈寧鳳姚春龍徐振君土地利用生態(tài)系統(tǒng)分析及服務價值估算利可圖,加上受全國新一輪開發(fā)后備土地資源浪潮的影響以北京市平谷區(qū)白各莊村為例[]中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報2006,14(3)致使許多牧民棄牧從農(nóng),導致草地減少,耕地增加。20世紀[4]劉遠國家資源環(huán)境遙感宏觀調(diào)查與動態(tài)監(jiān)測研究[冂遙感學報,90年代后期以來,隨著吉林省和黑龍江省“生態(tài)省建設”工97,31(1):25-20[5]擺萬奇,賢忠內(nèi)蒙古自治區(qū)奈曼旗土地利用變化預測研究[小]資程的實施,退耕還林還草等生態(tài)保護措施才得到加強。源科學,2003,25(2):73結(jié)論與討論中國煤化工()東北黑土區(qū)生態(tài)環(huán)境建設和農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問今CNMHG祝[]中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報題在于解決好水土資源的持續(xù)利用與保護。該文的研究結(jié)[8]李平,車.找國現(xiàn)階段土地利用變化驅(qū)動力的宏觀分析果表明,1986~2000年期間東北黑土區(qū)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(zhèn)工礦地面積呈增加趨勢,林地、草地、未利