（机械电子工程专业论文）基于离散元的逆转旋耕施肥播种机抛土性能仿真及试验研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 逆转旋耕施肥播种机是在旋耕机基础上逐渐发展起来的一种新型农业联合作 业机具。它采用无开沟器作业，种子和化肥由逆转旋耕向后抛土覆盖。此类作业 机的逆转旋耕抛土性能( 抛土分布范围、碎土质量) 是影响其施肥、播种质量的 重要因素，因此以旋耕部分为对象，通过建立正确的土壤离散元接触力学模型， 基于离散元仿真并结合试验验证的方法研究其抛土性能，对此类联合作业机施肥、 播种性能的改善是极其必要和可行的。论文取得以下成果： ( 1 ) 应用抛土理论分析旋耕刀的抛土过程，分别求出被抛土粒中未与罩壳发 生碰撞和与罩壳发生碰撞的轨迹方程，根据轨迹方程求出旋耕刀回转半径为 1 6 0 1 1 瑚、转速1 8 0 r p m 、前进速度0 3 m s 时抛土土粒沿机器前进方向上的分布范 围，为与后面的抛土性能仿真作对比打下理论基础。 ( 2 ) 将土壤看作离散颗粒，分析土壤中水分对土壤颗粒之间相互作用的影响， 在已有的干颗粒土壤离散元模型基础上添加黏结约束来表征因水分存在而产生的 颗粒黏结作用；通过设定临界法向应力、临界切向应力及颗粒黏结半径表示不同 含水率条件下的土壤颗粒黏结约束参数，以此建立了土壤离散元接触力学模型。 经土壤试样单轴压缩试验标定了含水率为1 5 的土壤接触力学模型黏结参数。应 用离散元法模拟了耕作土壤试样单轴压缩过程，模拟得到的土壤轴向压力一应变 曲线与利用土壤试样单轴压缩试验得到的土壤轴向压力一应变曲线基本吻合。 ( 3 ) 将在p 斌中建立的旋耕部分简化模型导入e d e m 中，设置相对应的模拟 参数，建立离散元抛土模拟仿真系统。模拟分析不同的机器前进速度、旋耕刀转 速、罩壳格栅与旋耕刀之间的最小距离对抛土性能的影响。模拟结果发现：在固 定罩壳格栅与旋耕刀最小位置的情况下，当机器前进速度不变，转速增加时，碎 土率逐渐增加，抛土土粒分布范围增大；机器前进速度增大，转速不变时，碎土 率逐渐减小，抛土土粒分布范围缩小。在固定旋耕刀转速和机器前进速度的情况 下，罩壳格栅与旋耕刀之间的最小距离为6 咖时，仿真抛土性能最好。其中， 在旋耕刀回转半径为1 6 0 m m 、转速1 8 0 甲m 、前进速度o 3 i l l s 工况下，抛土土量 沿机器前进方向上的分布范围与理论情况下的分布范围基本吻合。 基于离散元的逆转旋耕施肥播种机抛土性能仿真及试验研究 ( 4 ) 以机器前进速度0 3 m s 、旋耕刀转速1 8 0 岬、罩壳格栅与旋耕刀距离6 m m 为试验条件进行抛土性能试验，并与同种工况下的抛土性能仿真结果相对比。试 验和模拟碎土率分别为：8 6 、8 1 2 6 ；垂直于机器前进方向上的分布范围区域 分别为：0 - 4 8 6 锄、0 4 7 2 c m ，试验结果与模拟值相接近。 关键词：抛土性能，抛土理论分析，土壤接触模型，e d e m 仿真，试验验证 江苏大学硕士学位论文 r e v e r s a lc l l l t i v a t e dl 柚d 锄df e r t i l 沱a t i o n e d e rw 弱b a s e do nr o t a r yc i l l t i v a t o r b a s i s 伊a d u a l l yd e v e l o p e dan e wt y p eo fa 班c l l l t u r a li n t e 伊a t i o no fo p e r a t i o nm a c h i i tu s d i t c h i n go p e r a t i o n s ，叩- c i l tr o t a r yc u l t i v a t i o n 锄dt h r o w i n gs o i lc o v e r i n gt h e 辩e d 柚df c n i l 娩e r t h i sl 【i n do fw o r k i n gm a c h i n et h f o w i n gs o i lp r o p c r t i e s ( t h r o w i i l g s o i ld i s t 蚰c c ，p e 眦n t a g eo fb r o k e n i l ) a 骶c tt h eq u a l i t yo fs e e d i n g 龃df e n i l 沱a t i o n t h e r e f o r e ，t h er o t a 叮t i l l e rp a na sa 他s e a r c ho b j e c t ，t l u f o u g ht h ee s t a b i i s l l i i l e n to ft h e c o m c t nd i s c r e t ee l e m e n tc 0 n t a c tm e c h a n 瓶m o d e l ，s 岫u l a t i o n 锄de x p e r i i l l e n t a l s t u d yt l u d w i n g i lp e 0 加a n c e0 f 他v e r s a lc u l t i v a t e dl 锄d 觚df e n i l 娩a t i o n e d e r b a s e do nd e m ，f o rs u c hj o i l l to p e r a t i l l gm a c l l i n ef c r t i l 娩i n g 柚dp l a n t i n g 硫p r 0 v e d p e f i o 肌柚c ei s 饮仃e m e l y 北c e s s a r ) ，柚df e a s i b l e t h i sp a p e rh 勰m a d et h ef o l l o w i n g a c h i e v e m e n t s ： ( 1 ) u s e dt h et h r o w i n g i lt h e o r yt 0 锄a l y z et h er o t a r ) ，b l a d et h r o w i i l g i l m o v e m e n t ，f i i l dt h et r a j e 咖r i e se q u a t i o n0 fc o l l i s i o nd i dn o t0 c 饥rb e 腑e e n i lw i t h t h ec a s i n g 粕dt h e i lp a n i c l e st 0c o l l i d ew i u lt l l ec 硒i n g c o r d i n gt 0t h et i a j e c t o 巧 e q u a t i o no b t a i l l e d 豫d i u so fg y r a t i o no f t h er o t a r ) ，b l a d e1 6 ( 1 n l m ，s p e e d1 8 0 叩m 加dt h e f 0 唧a r ds p e e do f0 3 m sw h e nt h es 0 i lp a n i c l e sa l o n gt h ed i s t 曲u t i o nr a n g ei nt h e d i r e c t i o n0 ft l l em a c h i 肿f b r w a r d ，i i lo r d e rt o l a yat l l e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o r t h e f o l l o w i n gs t u d y ( 2 ) s e es o i l 勰d i s c r e t ep a r t i c l e s ，a n a l y s i so ft h ei m p a c to ft h es t u d ys 0 i lm o i s t l l 把， a d d 孕b o n dc o n s t r a i n to nt h eb a s i so ft h ed i s c r e t ee l e m e n tm o d e io ft h e nd r ) ， p a n i d e s e x p 陀s s i o nt h eb o n d i n gr o l e0 ft h ew a t e r b y t t i n gt h e r r e s p o n d i n gf o r c e o ft h ec r i t i c a lm e t l l o d ，t h ec r i t i c a ls h e a rs t r e s s 锄dp a r t i c l eb o n d i n gr a d i u sc o n s t m i n t so f t h ed i 彘r e n ts o np a n i c l e sb o n dp 盯锄e t e 塔e s t a b l i s hc o n t a c tm e c h a n i c sm o d e l0 f d i s c r c t ee l e m e n to ft l l e w e t 伊a n u l a r i l t h r o u g l lt h e ns p e c i i l l e n u n i 麟i a l c o m p r e s s i o n t e s tm e t h o df o rc a l i b 豫t i n gt h em o d e l b o n d i n gp 盯锄e t e r ，锄du s e d d i s c 陀t ee l e m e n tm e t h o ds h u l a t i o nu n i 懿i a lc o m p r e s s i o np r o c e s so fc u l t i v a t e ds o n s p e c i m e n ，t i l l e 他s u l t ss h o wt h a t ：s i m u l a t i o no ft h ea x i a ls t r e s s s t r a i nc u eo fs o i la n d i 基于离散元的逆转旋耕施肥播种机抛土性能仿真及试验研究 s o i ls p e c i l l l e nu n i a 】【i a lc o m p r e s s i o nt e s to f 瓢i a ls 骶s s s t r a i l lc i l r v e0 fs o nb a s i c a 酽e e m e m ( 3 ) r o t a r ) r t i l l e f s i m p l em o d e li si m p o r t e d i n t 0 e d e m ，t0 fs i m u l a t i o n p a 舳e t e 娼，t h ee s 劬l i s l l l l l e n t0 fad i s c r e t ee l e m e n tt h r o w i n gs o i ls i m u l a t i o ns y s t e m s 蛔u l a t i o na i l a j y s i s 1 ed i 陀r e n tm a c h i mf o 州a r ds p e e d ，r o 伽了t n l e rs p e e d ，t h e m i n i i i l 啪d i s t a n c eb e t 、耽e nt h ec a s i i 唔鲥l l e 锄dt h er o t a 巧b l a d e c o m et 0h o wm e f a c c o 璐a 骶c tt h ep e r f b 肌a n c eo ft m 、咖gs o i l t h es 洫u l a t i 彻托s u l t ss h o w e d 她t ： f 奴e dm i 血u m p o s i t i o nb e t 、e e nt h ec a s i n g 柚dt h er o t a r yb l a d e u n c h 卸g e dw h e n t l 地m a c h i 鹏f 0 刑a r ds p e e d ，m es 】p e e di 1 1 c r e a s e d ，t h ep u l v e 血e rm t e 孤dt l l r o w i n gs o i l d i s t r i b u t i o ni n c 托a s e s m a c h i n ef o r w a r ds p e e di n c r e a s e s ，t h es p e e di sc o n s t a n t ，m e p u l v e 血e rr a t e 柚dm et h r o w i n gs o i ld i s t 曲u t i o n 瑚g ei s 他d u c e d i i l 龇c a s eo fa 血e dr o t a i ) rb l a d es p e e d 柚dt h em a c h i n ef o r w a r ds p e e d ，t h em 谢衄u md i s 咖c c b e t w e e nt h ec 舔i n g 班l l e 卸dt l l e r o t a 巧b l a d ei s6 m m ，s h u l a t i o nm r o w i n gs o i l p e d o 姗柚c ei st h eb e s t a m o n gt h e m ，t h e 髓d i u so fg y r a t i o n0 ft h er o t a r ) rb l a d ei s 1 6 0 衄，伍es p e e do f1 8 0 r p 吼，t h ef 0 哪砌s p e e do f0 3 衲c o n d i t i o n s ，i lp a n i c l e s a l o n g t h ed i s t r i b u t i o nr a n g ei l lt h em a c h i i l e - f 0 刑砌d i r e c t i o nw i t ht h et l l e 0 他t i c a l 踮 c 0 n s i s t e n t ( 4 ) f i n a l l y ，s i m u l a t i o n 锄de x p e 洒e n t a lm a c h i n e i lt l l r o w i n gp e r f b 锄锄c ei s b a s i c a l l yt h es 锄e m a c h i 鹏f o n a r ds p c e do f0 3 吣，龇m t a r yb l a d es p e e do f 1 8 0 甲m ，t h ed i s 劬c co ft h cc a s i n g 鲥l l e 锄dt h em t a r yb l a d e6 衄t h 】r o w i n g i l p e r f 0 咖锄c ct e s tf o rt l l et c s tc o n d i t i o n s t e s t 姐ds i m u l a t i o no f b r o k c n i lp e 嗽n t a g e s w e 佗：8 6 ，8 1 2 6 f 0 刑a r dd i r e c t i o np e 啦n d i c u l 缸t 0 t l l em a c h i 耻叩t h e d i s t r i b u t i o n 玳aw e 陀：0 - 4 8 6c m ，0 _ 4 7 2c m t e s tr e s u l t s 卸ds i m u l a t i o nv a l u e st 0b e d o s et 0 1 【e y w o r d s ：t w i n g i lp e 响衄龃c c ，a n 出y s i so ft h i 袖g nt h e 0 s o i lc 0 n 瞰 m o d e l ，e d e ms i m u l a t i o n e 】【p e 血口e n t a lv e 而t i o n i v 江苏大学硕士学位论文 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 逆转旋耕施肥播种机是将农业生产中的旋耕、施肥、播种等几种机具多道工 序完成的作业用一台机具、一次作业完成。它不仅减少了因机器多次进出田地造 成的对土壤的压实，而且降低了作业成本，提高了作业效率，是我国农业现代化 生产中的首选机具之一。目前国内的联合作业机可分为两大类：一类是由多种从 动部件组合而成的联合作业机具，主要是针对北方早地耕作特点设计研制，但此 类联合作业机从动部件的组合多具有随意性，结构不紧凑等特点，在农业生产中 易发生故障。另一类是以旋耕( 灭茬) 刀辊为核心部件发展起来的联合作业机，主 要针对我国华东地区土壤含水率相对较高的特点研制；机器需采用逆转旋耕的作 业方式。 首先逆转旋耕具有以下优点：同样的旋耕刀结构参数可获得较大耕深， 具有深耕特性【l 】o 旋耕刀所受的切削力较小，耕深稳定性较好并减少了旋耕机 在含砾石土壤中工作时的损坏【2 】。功耗小，逆转旋耕所需能量较正转旋耕减少 了2 0 3 0 【3 1 。其次作业机无开沟器，工作时排种、施肥管布置在旋耕刀的后方， 种子和化肥由向后抛掷的已耕土覆盖，结构简单、紧凑，但播种、施肥的农艺质 量还需要加强。由于此类作业机的逆转旋耕抛土性能( 包括抛土距离、碎土质量 及向后抛土率等【 1 ) 是影响其施肥、播种质量的重要因素。因此本文针对第二类 联合作业机的工作环境( 华东地区早地耕作土壤含水率一般在1 5 左右【6 】) 及作 业特点，利用离散元仿真与试验相结合的方法研究其抛土分布范围及碎土质量， 并结合抛土率的分析，旨在找出旋耕部分的运动参数及结构参数与抛土性能的关 系，为此类联合作业机具满足农艺播种、施肥作业要求打下基础。 围绕逆转旋耕抛土性能及土量分布的理论与仿真优化问题，多年来人们做了 大量的研究工作，包括建立旋耕机组坐标系，分析理论情况下逆转旋耕向后抛土 率及土粒的分布轨迹；将土壤看作粘弹体，建立三维实体切削模型进行仿真研究： 将土壤看作准静态的离散颗粒，分析其力学行为；通过高速摄像提取对被抛土粒 进行拍摄记录，研究旋耕抛土规律等等。但是由于土壤是一种典型的离散颗粒物 基于离散元的逆转旋耕施肥播种机抛土性能仿真及试验研究 质，逆转旋耕抛土过程又是在一个高速运动的情况下进行的，将土壤颗粒看作连 续性物质或者准静态的颗粒都是不准确的，即使通过高速摄影技术分析抛土规律 也不能将实际的逆转旋耕抛土性能及分布完全展现出来。 因此，将土壤看作离散颗粒，考虑到含水率为1 5 的土壤中水分在土壤颗粒 之间的黏结作用，选择合适的土壤颗粒接触力学模型，利用离散元与试验相结合 的方法研究不同的机器结构参数及运动参数下的逆转旋耕抛土过程，对解决逆转 旋耕抛土性能问题及改善此类联合作业机的施肥、播种性能具有重要意义。 1 2 逆转旋耕抛土理论的国内外研究现状 对于逆转旋耕理论国内外学者已有了一定程度的研究。 首先，前苏联学者g r i n c h u k 和m a t v a s h i n 通过研究指出采用逆转旋耕法的旋 耕刀切削力可以减小三分之一，且耕深具有较好的稳定性。日本学者松尾昌树通 过试验对比正、逆转旋耕法的功耗情况，涉尺荣、川村登通过对深耕旋耕刀的多 次试验研究，指出在相同工况下，采用逆转旋耕法功耗较小，并发现逆转旋耕是 实现深耕的有效方法。v s s a i l i l b h i 和d s w a d h w a 【7 】等利用三维计算机图形学设计 了三维旋耕刀模型，并用坐标变换的方法来仿真了旋耕刀的运动，分析了刀和土 的相互作用。 其次，国内学者李自华、黄益明【】对逆转旋耕和抛土规律作了初步理论分析 及试验研究，这些研究都局限于刀轴位于地表面以上。同时指出刀轴位于地表以 上的逆转旋耕的不足在于向前方抛土较多，造成对已耕土的重耕，容易导致功耗 的增加。针对刀轴位于地表以上所遇到的问题，近年来国内学者开始对刀轴潜入 地表以下的耕耘方式进行研究：桑正中教授、陈翠英教授、王长兵博士等对潜土 逆转旋耕进行了大量研究，并探讨了在不同工作参数下的负荷、能耗特性以及相 互关系，分析了逆转旋耕弯刀切削土壤过程，获得了单刀理论负荷计算模型【1 1 】； 李伯全【1 2 】利用模糊聚类方法对抛土率进行了定量描述，并对被抛土粒进行了平面 跟踪，达到了潜土逆转旋耕运动参数的优化目的。刘永清【1 3 】博士通过对旋耕刀片 的受力分析，以耕作功耗为工作指标，建立了包含侧切部和正切部在内的潜土逆 转旋转耕耘刀片的数学模型。这些研究对潜土逆转旋耕理论及刀片的设计起到了 重要推动作用。 2 江苏大学硕士学位论文 总的来看，由于试验条件的限制，目前对逆转旋耕抛土运动的研究还不够深 入，绝大部分的研究只分析了土粒沿旋耕机运动方向的前向运动和后向运动，忽 略了土粒的侧向运动。同时，现有研究成果不能准确地反映潜土逆转旋耕的三维 抛土特性，但三维抛土特性对研究提高潜土逆转旋耕抛土性能极其重要。所以本 文采用了三维离散元软件e d e m 对旋耕刀的抛土性能进行仿真分析，从三维空间 研究抛土土粒的分布及碎土情况。 1 3 离散元法及其在土壤动态行为分析中的应用 离散单元法将所分析的物体看作离散颗粒集合体，在离散单元法数值模拟中， 对物体中的每个颗粒作为一个单元建立模型，并进行模拟，然后根据颗粒之间的 接触，通过一系列计算追踪物体中每个颗粒来对整个物体进行分析。为准确预测 和分析现有连续介质理论无法解释和分析的物质力学行为提供了基本理论和研究 方法。另外，离散单元法不需要过多的假设，使用简单的方程就可以对高度复杂 系统的准静态和动态行为进行模拟。作为典型的离散物质，土壤在受到外力作用 以后，土块的破碎和分离更表现出其碎散性的本质，因此，离散单元法已成为分 析土壤动态行为新的手段和方法。 1 3 1 离散元法的发展现状 离散单元法( d i s t i n c te l e m e n tm e t h o d ，简称d e m ) 是美国学者c u n d a l le 八 教授在1 9 7 1 年基于分子动力学原理首次提出，并应用于分析岩石力学问题的一种 不连续数值模拟方法【1 4 1 。1 9 7 9 年c u n d u 和s t r k 将d e m 应用到土力学中，并推 出二维圆盘程序b a l i ，和三维圆球程序t r u b a l ，这就是颗粒流程序p f c 2 d 3 d 的雏形。1 9 9 2 年，c u n d a l l 和h a n 提出离散元体允许有限的位移和转角，利用程 序来自动识别这些离散元体相互之间的接触。1 9 9 4 年，基于矿山开挖等岩石力学 研发出来的颗粒流程序p f c 2 d 3 d 由l t a s c a 咨询公司集团正式商业化。德国和日本 还分别于2 0 0 2 年和2 0 0 4 年针对这两种离散元商用软件( p f c 2 d 和p f c 3 d ) 连续 召开了两届国际会议【挎1 6 1 。 近年来，随着计算机技术的发展，计算机容量大大增加，计算速度明显改善， 使得离散元应用软件已经发展到一个新的阶段。其代表是新型离散元分析软件 3 基于离散元的逆转旋耕施肥播种机抛土性能仿真及试验研究 e d e m 。e d e m 是由英国d e m s 0 l u t i 0 璐公司开发出新型的三维离散元软件，与 别的离散元仿真软件相比，该软件具有一系列优越性：几何模型可导入，使得 建模更快捷，而且边界可以是实体；可视化能力更强，模拟结果更加准确； 操作更简单；参数的后处理能力更加强大。使离散元的模拟分析更加方便可行。 图1 1 为球磨机与铲斗工作过程模拟。 图1 1 球磨机与铲斗仿真模拟 f 埝1 1b a l lm m 柚ds c r a p e r b u c k e ts i m u l a t i o n 我国在离散元单元法方面的研究虽然起步较晚，但相关的研究工作也逐渐开 展起来。东北大学的王泳嘉教授和淮南矿业学院的剑万禧教授于1 9 8 6 年在第一届 全国岩石力学数值计算及模型试验讨论会上，首次向我国岩石力学与工程界介绍 了离散单元法的基本原理和几个应用的例子【1 7 1 。使得离散元法在我国的采矿、岩 石、材料、土壤、物流等工程方面得到迅速发展。尤其是中国农业大学的徐泳教 授课题组【协1 9 】从理论上研究了圆盘和圆球颗粒间有幂律流体时的黏性力，并根据 n o n o n 的无粘连和粘连干颗粒接触力学模型，以及牛顿幂律流体和非牛顿幂律流 体粘湿颗粒模型，提出了耕作土壤动力学离散元仿真解决方案，使国内离散单元 法在土壤力学方面的应用向前迈进了一大步。 虽然国内国外离散元方法的研究已经取得了很大的进展，但是作为一种新的 离散分析方法，离散元应用的领域还在不断扩大，所遇到的具体问题各不相同， 并且随着离散元的不断发展，还有很多问题需要解决。因此，离散单元方法具有 很大的发展空间。 1 3 2 离散元法基本理论 4 江苏大学硕士学位论文 离散元法( d i s t i n c te l e m e n tm e t h o d ，简称d e m ) ，其理论基础建立在牛顿第二 定律之上，具有牢固的理论依据。在处理离散体时将离散体看作具有一定形状和 质量的离散颗粒单元的集合，每个颗粒为一个单元，每个粒子单元作为单独的对 象进行研究，各个粒子之间存在相互接触与分离两种关系，当接触发生时，接触 点处就会产生接触力和力矩，其大小可以根据建立的接触力学模型求出，单元的 运动则由牛顿第二定律求出。由此可看出离散元法理论包括颗粒间的接触及接触 后颗粒的运动两个方面。 ( 1 ) 离散颗粒接触问题 颗粒之间的接触分为硬颗粒接触、软颗粒接触两种。其中，硬颗粒接触是假 定颗粒之间接触不发生显著的塑性变形，同时认为颗粒之间的碰撞是刚性的、瞬 时的。这种接触方式的主要缺点是只考虑两个颗粒之间的同时碰撞，因此只能用 于稀疏快速颗粒流。软颗粒接触允许颗粒碰撞出现重叠部分，其接触模型是将接 触点处的重叠量、接触粒子的物理属性、相关的冲击速度以及之前时步的接触信 息通过一对大小相等和法向相反的力联系起来。计算出作用于粒子上的合力，然 后通过牛顿第二定律计算出加速度，并更新粒子的速度与位移。软颗粒接触模型 可以吸纳众多的接触模型，并且在模拟庞大数目颗粒系统时，其执行时间也有优 势，因此具有较广的适用范剧捌。 在土壤颗粒离散元模拟中，其相互接触为软颗粒接触，颗粒之间的相互作用 力通过其重叠量计算出来。不同形状的颗粒之间的接触，其基本接触原理是一样 的，本文针对土壤球形颗粒的接触情况进行解释。如图1 2 所示。 胜q ( a ) 颗粒接触 ( b ) 受力情况 1 2 颗粒接触受力情况 f i g 1 2g r a j nc o n t ts t r e 鼹n d i t i o n 5 基于离散元的逆转旋耕施肥播种机抛土性能仿真及试验研究 图中足和r 为两球形颗粒的半径，当两颗粒有重叠时( 如图a 黑色区域) ， 即两球心距离小于两颗粒半径之和时就会发生接触。所以两颗粒发生相互接触的 条件是：d r + r 同理圆球颗粒与壁面或者工作部件的接触判断方法也近似于上述方法：当圆 球颗粒中心到壁面或者工作部件的距离d 小于颗粒半径尺时，颗粒与墙面就发生 接触，如图1 3 所示。 1 - 3 颗粒与壁面或部件接触 f 蟾1 3p a n i d 髓c o n 瞰诵t ht h cw a u o rw o 吣n gp a r t s 因此，圆球颗粒与壁面或者工作部件发生接触的判断条件为：d lt 锄口时，两颗粒开始相对滑动。 运动方程牛顿第二运动定律 散粒群体中任一颗粒a 在t 时刻的平动与转动都可由牛顿第二定律描述如 下： m i i ( t ) = l ( t ) ( 1 5 ) ， 兑( t ) = 瓦( t ) ( 1 6 ) 式中i i 为颗粒a 质心的平均加速度；以为颗粒a 的角加速度：m 为颗粒a 7 基于离散元的逆转旋耕施肥播种机抛土性能仿真及试验研究 的质量；j 为颗粒a 的转动惯量；只、l 为作用于颗粒a 的合力与合力矩 利用中心差分法，可知g + ) 时的速度以g + ) 与角速度以g + ) 分别 为。 以g + ) = 以o 一) + 畋o ) f ( 1 - 7 ) 幺g + ) = 六( f 一) + 兑。逾 ( 1 8 ) 式中址为时步间隔；l i g 一) 、幺g 一) 分别为颗粒a 在g 一) 时的速 度与角速度。进一步可求出f + 缸时的位移“ o + 垃) 与角位移以o + f ) 分别为： 口 ( ，+ & ) = 口 ( ，) + 1 2 g + 灶 ( 1 - 9 ) 吼( ，+ & ) = 以( ，) + 六( ，+ p ( 1 1 0 ) 式中( r ) 、幺( f ) 分别为t 时刻的平动位移与角位移。 对于颗粒群体来说，其中的任意一颗粒都有类似的计算公式。这些计算全部 交给计算机进行计算，可大大提高了计算效率。对于每一个颗粒的位移和所受的 力计算机计算按照时步进行迭代并遍历整个颗粒群体，直到对每一个颗粒都不再 出现不平衡力和不平衡力矩或达到规定的迭代次数为止。 1 3 3 基于离散元法分析土壤动态行为的研究现状 土壤是一种典型的离散颗粒物质【2 1 l ，由离散颗粒( 土壤颗粒) 、液体( 土壤水 分) 和气体( 土壤空气) 组成的复杂的颗粒团聚体。土壤耕作是多相、松散和物 性分散颗粒群的动态变形和运动过程，颗粒群离散度大，并伴随动态破裂和流动， 以破裂和崩塌为特征，用离散元法分析显然比用基于均匀、连续和各向同性的弹 塑性力学理论分析连续体理论更为适合。多年来国内外的很多专家和学者在这一 领域做了大量的研究工作。 伽a l 【a 等【2 2 】用离散元法构造土壤机械性能，进行棒的穿透实验，研究了金属 棒插入土壤时土壤变形和阻力，认为颗粒离散元法能很好的模拟土壤的不连续性， 且就目前存在的一些问题进行了讨论，认为时步的选取对计算求解的稳定性有一 定的影响。由于传统离散单元法无法模拟颗粒之间张力的问题，胁a l 【a 等【强冽用 8 江苏大学硕士学位论文 离散单元法研究深松铲与土壤的相互作用时，指出在土壤与机械相互作用，土壤 的破碎实际上包含切削、拉伸断裂。通过在土壤离散元模型中用单元的直径与比 例常数之积来计算切削及拉伸断裂的临界距离，并算出两单元边界距离和张力弹 性常数产生的拉伸弹性力，使弹性力在压缩和拉伸方向都是有效的，从而模拟出 实际土壤颗粒之间的粘附性。模拟结果表明，改进的离散单元法更能有效模拟土 壤行为变化。 o i d a 和m o m o z u 等1 2 5 坡用系数修正了c u n d a l l 的传统的离散元模型，考虑了 单元之间法向张力的产生，建立了土壤颗粒数值模拟接触模型，模拟了旋转刀刃 切土疏松过程，并用实验验证了改进的方法优于传统的方法。 h e h u tb o c k 等人用p f c 2 d 程序在一个相当长的时间内来模拟瑞士和德国西 南部的o p a l i n u s 粘土的固结变化过程。它的有效成分主要包括片状粘土、片状粘 土外包围的结合水、及孔隙中的自由水。模型中粘性土存在片状单元，每个片状 单元包含1 0 2 0 个相互连接的粘土颗粒，赋予合适的刚度和强度，片状单元可以承 受一定的切向、法向力及力矩，并允许发生破坏。片状单元外部包含四层颗粒作 为其结合水，自由水用软件中的基本颗粒进行模拟。研究结果表明用p f c 2 d 可以 很好的模拟这种片状微观结构【2 6 1 。该研究为片状岩土材料的数值模拟提供了很好 的借鉴。 国内学者专家用离散元法研究土壤动态行为特性起步较晚，主要有以下几位 学者做了比较系统的研究。 王浩等通过模型试验及p f c 2 d 数值模拟，系统地从桩端周围土体位移场、应 力场、孔隙率变化场等角度，对砂土桩端阻力随位移发挥的内在机理进行研究。 研究结果表明：不同密实度土壤颗粒扩张影响范围的不同是相同位移下桩端阻力 存在差异的原因。在桩端阻力发挥的起始阶段，土体位移以垂直向变形及斜向下 挤出扩张为主。当桩端阻力呈现极限阻力态势时，土体位移以水平及斜向上扩张 滑移为主。模拟结果与试验具有较好的一致性【2 刀。 清华大学常在等基于p f 2 d 例对基本试验的颗粒流模型进行参数分析，初步 得到了砂土颗粒力学参数与砂土表观参数相互影响，建立了砂土颗粒力学指标与 其表观性质的定性与定量关系，还从颗粒力学层面理解低应力状态下片状粘性土 材料的各向异性行为，解释了软土宏观实验所观察到的实验现象，为从微观层次 9 基于离散元的逆转旋耕施肥播种机抛土性能仿真及试验研究 来理解岩土的工程性质提供了一条新的途径。 徐泳，李艳洁，李红艳等【1 & 1 9 】介绍了采用离散元法对耕作土壤动力学问题进 行数值模拟的新思路。采用颗粒离散元的微观力学分析方法，根据土壤的物理力 学特性，研究离散颗粒间和颗粒与壁( 耕作部件表面) 间的相互作用，建立了适 合不同土壤条件的颗粒间作用的力学模型，讨论了用离散元法进行土壤动力学仿 真的可行性和若干关键技术问题及对策，为科学精准地设计耕作部件提供一整套 理论、计算与评估方法，促进耕作机械设计的科学化、合理化。 张锐等【2 9 1 分析了毛管水形成液桥对土壤微观力学结构的影响，引入并行约束 来表征土壤颗粒间液桥的黏性作用，将线性接触模型、滑移模型和并行约束模型 结合建立了土壤颗粒接触非线性力学模型，并通过p f c 2 d 软件对波纹形复杂表面 推土板前端土壤的动态扰动行为进行了离散元宏细观模拟。研究结果表明，离散 元模拟能准确分析复杂表面结构对土壤动态扰动行为的影响，且从土壤颗粒运动 以及土块破碎等细观角度准确分析了触土部件复杂表面对土壤动态扰动行为的影 响因素和机理。 综上所示，目前离散单元法在土壤行为分析方面的应用以二维为主，土壤模 型也仅仅考虑到二维平面体之间的相互作用。但实际的土壤颗粒是一球体，在旋 耕抛土过程中土壤颗粒的分布不仅体现在二维平面内，旋耕刀的切土、抛土及其 土壤颗粒与旋耕刀及罩壳格栅的碰撞都是一个复杂的过程，需要在三维空间内进 行考虑。且大多数研究中建立的土壤离散元模型过于简化，通常只考虑土壤颗粒 之间的接触力和摩擦力，而忽略了颗粒之间由于水分的作用产生的黏性力影响； 即使在模型中考虑了水分对于土壤颗粒之间的作用，也不能够在仿真软件模拟中 正确地反映出来，造成仿真结果的不准确性。目前在仿真触土部件与土壤相互作 用的过程中，基本都是在缓慢的准静态下与土壤相互作用，且对于仿真后的土壤 在空间中的宏观变化形态不能够反映出来。随着计算机技术的发展以及更直观、 更准确的三维大型颗粒力学模拟软件e d e m 的开发，为土壤动态行为的研究开辟 了一条新的途径。所以本文应用e d e m 对旋耕刀抛土过程进行仿真分析，解决实 际情况下土壤在高速外力的切削下破碎、抛土分布等问题。 1 0 江苏大学硕士学位论文 1 4 本课题研究的关键问题及解决方案 目前，基于离散元法分析土壤动态行为变化规律，主要集中在土壤静态或准静 态下的行为分析，且所用软件以二维的p f c 2 d 数值模拟为主。本文所作研究是仿 真土壤颗粒在高速旋耕刀作用下与罩壳、格栅碰撞后的破碎与空间分布情况，完 全从动态方面，利用更直观、更准确的三维大型颗粒力学模拟软件e d e m 进行仿 真研究。对于以上所要进行的工作还存在一些尚未解决和有待进一步研究的关键 性问题： ( 1 ) 土壤中水分的存在极大地影响着土壤动态行为的变化，如何建立能正确 反映实际土壤颗粒接触作用的离散元接触力学模型，是仿真成功的关键所在。以 前的研究多将土壤看作干颗粒之间的相互作用，即使有的学者注意到了由于水分 存在而产生的颗粒黏结作用，但在建模模拟时有较大的失真或者模型中颗粒之间 的黏结约束只在颗粒接触时发生作用，不符合真实的土壤颗粒之间相互作用。 ( 2 ) 土壤颗粒离散元接触力学模型中输入的黏结参数，对旋耕抛土性能模拟 的准确性影响很大；如何选择合适的方法，正确地标定所建土壤模型黏结参数， 决定了仿真效果的好坏。 一 针对这两个关键问题，本文拟采用以下相应方案加以解决： ( 1 ) 将土壤水分形成的不连续液桥对土壤颗粒相互作用时产生的动态粘性力 添加到模型中，设置土壤颗粒的黏结半径( 根据含水率的大小，黏结半径可以调 节) ，建立了湿颗粒土壤接触力学模型。在这个模型中，既包括粘性对颗粒法向分 离和切向滑移的限制，同时也包括粘性对颗粒之间转动的力矩制约。 ( 2 ) 在标定土壤颗粒离散元接触力学模型中的参数时，本文参考了部分已有 的土壤参数，通过土壤中的含水率计算得出了湿颗粒土壤接触力学模型中的黏结 半径，同时采用了经典的土壤试样单轴压缩试验的方法，确定了土壤颗粒黏结的 最大法相与切向应力，通过e d e m 仿真了土壤试样单轴压缩并与试验相对比，初 步验证了所建土壤模型与e d e m 仿真的正确定与可行性。 1 5 本文的主要研究内容 本文分析了理论情况下被抛土粒与旋耕刀、罩壳和格栅之间的相互碰撞：介 基于离散元的逆转旋耕施肥播种机抛土性能仿真及试验研究 绍了离散单元法的基本理论，建立了耕作土壤离散元接触模型；在新型离散元软 件e d e m 中建模仿真，得出在e d e m 中模拟的逆转旋耕抛土性能与实际试验所得 到的机器抛土性能相符合，仿真所得到的抛土分布范围与理论分布范围基本吻合。 论文主要包括以下几方面的工作： 1 、分析采用逆转旋耕抛土的原因，阐述离散元的基本理论和发展现状，以及 离散元法在土壤动态行为方面的应用背景。 2 、研究计算理论情况下被抛土粒与旋耕刀、罩壳之间相互碰撞后的轨迹方程， 结合旋耕刀向后抛土率的计算，得出了抛土土量及土粒大体分布范围，为仿真工 作提供理论基础。 3 、考虑土壤中含水率为1 5 的水分对土壤颗粒之间相互作用的粘性影响，建 立反映土壤细观力学结构的离散元土壤颗粒接触力学模型。采用土壤单轴压缩试 验标定土壤模型中的法相和切向黏结参数。并用e d e m 软件模拟土壤试样单轴压 缩试验，对比仿真与试验情况下单轴压缩试样轴向力的变化，验证所建土壤模型 准确性。 4 、利用e d e m 软件对旋耕刀的抛土性能进行仿真，模拟分析不同的机器运动 参数及结构参数情况下的旋耕刀抛土性能，以期得出最优工作参数。 5 、进行逆转旋耕施肥播种机的抛土性能试验研究。通过对样机进行抛土性能 试验，验证仿真研究结果。 本文的研究将从建立正确的土壤颗粒接触模型出发，利用离散元分析软件 e d e m 研究逆转旋耕抛土性能，为此逆转旋耕施肥播种作业机播种、施肥质量的 改善打下基础。同时，为土壤离散元法的分析提供新的模型和方法。 1 2 江苏大学硕士学位论文 第二章逆转旋耕抛土土粒分布计算 在逆转旋耕工作过程的理论研究中，当不考虑罩壳、栅栏的情况下，被旋耕 刀切削抛起的土粒流在空间飞行轨迹为抛物线( 不计空气阻力的情况下) 。但在 实际的工作过程中土垡被旋耕刀抛起后将与旋耕机工作部件如栅栏、罩壳等发生 碰撞，其运动轨迹因碰撞发生改变。有必要将被抛土垡看作质点，把旋耕机的罩 壳看作有限个曲面罩壳组成，以此建立碰撞数学模型进行研究，分析有无曲面罩 壳情况下的土粒分布情况，并得出两部分的土粒轨迹方程。根据现有的实验室试 验条件，本文将在理论情况下分析了机器旋耕刀旋转半径1 舳、转速1 8 0 甲m 、 前进速度0 3 m s 时的抛土土粒分布情况。并将在此条件下的分析结果与仿真进行 对比研究。 2 1逆转旋耕抛土过程分析 本文所研究的逆转旋耕施肥播种机采用的是无开沟器播种施肥作业，播种施 肥管安置在旋耕刀的后方，种子和化肥由向后抛掷的已耕土覆盖，其工作抛土过 程如图2 1 所示。 1 未耕土地2 罩壳3 排肥部件4 被抛土粒流5 种子 图2 1 联合作业机工作原理简图 f i g 2 1c o m b i n e dw o 删n gm 孔l i i n ew o r l 【i n gp r i n c i p l ed i a g r 锄 逆转旋耕作业机旋耕刀轴分位于地表以上与潜入地表以下两种情况，刀轴旋 转方向与拖拉机驱动轮旋转方向相反，旋耕刀由下往上切削土壤，被切削土壤因 张力作用而破裂，切剖土块运动趋势为从沟底向与前进方向成锐角的斜上方运动， 1 3 基于离散元的逆转旋耕施肥播种机抛土性能仿真及试验研究 其抛掷方向可能是正前方、侧前方或正后方、侧后方等，从宏观分析，可以简要地 分为向前抛掷和向后抛掷两种情况。当刀轴位于地表以上时，其抛土过程为被抛 土块一部分通过刀轴上方向后方抛掷，部分土块碰到旋耕机罩壳后落于刀轴前方， 堆积在刀轴前方的土块随旋耕机前进而向左右培土，旋耕后地表形成两端高出而 中间凹下的状态；刀轴潜入地表以下时，同样结构参数的旋耕刀，其耕深较深， 土层较为蓬松，但碎土质量下降，旋耕后地表不会形成两端高出而中间凹下的状 态。总的来说逆转旋耕既具有铧式犁的深耕特性，又具有正转旋耕的碎土作用， 并且有良好的残茬覆盖性能。在相同的结构参数和运动参数条件下【蚓，反转旋耕 刀的切土速度大于正转旋耕刀，即反转旋耕刀能以较低的旋转速度获得较高的切 削速度，这对于刀片切土和土壤破碎都是有利的。 旋耕刀切削土壤的具体过程为：旋耕刀旋转一周，切下的土垡总面积为 c d ， 如图2 2 所示，其总质量为m = 肪a c d ，其中6 为土垡厚度。p 为土垡密度。 从驱动型土壤耕作机械的理论与计算知f 3 2 】： c d = 鼬 ( 2 - 1 ) 式中s 旋耕机的切土节距，j i l