犁曲面的动力学仿真研究

安徽农业科学, Joumal of Anhui agri.Sci2009,37(23):1110-11162贵任编辑常俊香贵任校对张士敏犁曲面的动力学仿真研究张延2,刘娟(1.大连理工大学,辽宁大连116024;2.黄河水利职业技术学院河南开封475004;3.开封广播电视大学河南开封475004)摘要采用数学软件 MathCAD建立了翻土型犁曲面的数学模型,利用 ANSYS/LS-DYNA建立了犁曲面一土壤系统显式动力分析的仿真模型,并通过物理样机试验对模型的仿真结果进行了验证。关键词犁曲面;显式动力分析;牵引阻力中图分类号S22.1文献标识码A文章编号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犁作为农业田间作业的基本工具对农业生产起着重要作用。犁的工作性能(即碎土、翻土性能),主要由犁曲面的形状决定。另外,犁曲面的形状还直接决定着犁耕的工作效率。目前,犁曲面的形状优化已成为国内外许多学者研究犁图公0体工作性能的关键。1犁体曲面的工作原理犁体曲面的功能主要表现为起土、翻土和碎土,其工作过程如下:(1)切垡:铧刃和胫刃分别沿水平和垂直面切出土垡的底面和左侧面,其耕深为a耕宽为b犁体运动方(2)推垡:被切出的土垡在犁铧面和犁胸的作用下,左边被抬起绕右下角D点回转。(3)翻垡:土垡在回转过程中,通过直立状态然后在犁翼的作用下继续绕C'点回转,最后靠在前一行程的土垡上(图1)假定土垡在翻转过程中不变形、无侧移并且始终绕一棱图1翻垡过程角转动,则每一垡片在翻转后均保持确定的几何位置。实现Fig1 Turming pro土垡的稳定铺放即彻底翻扣(不出现回垡现象)是犁体曲面直线I和直线Ⅱ交点的坐标可通过(1)(2)联立求得工作和设计的关键。是否回垡主要取决于犁曲面的形状,即曲面的设计参数及耕深、耕宽等。(3)以临界状态为研究对象确定土垡翻转过程中不产生回yg=xg·tane垡的基本条件,可为犁体曲面的设计提供参考。经计算,土垡的宽深比一般为k≥1.27。k值稍大可保证翻垡稳定,但K值过大时单犁体幅宽和垡块较大,形成的垄沟较深。一般轻沙壤土k=1.1~1.5,一般土壤k=1.3~2.0,黏重潮湿土壤k2犁曲面数学模型的建立2.1导曲线的数学模型由图2可知直线和Ⅲ的方程可分别表示为l:y=x·tane(1)中国煤化工I:y=h-(x-L)·tan(90°-Ae)CNMHGI基金项目河南省教育厅自然科学基金(2006116作者简介张延(1973-),男,满族,河南开封人,項士,讲师,从事数控图2导曲线的形成原理技术、CAD/CAM技术研究ig 2 Formation principle of oriented curve收稿日期200904-2237卷23期张延等犁曲面的动力学仿真研究11161xD(n)=00·cosb+x(n)·sin(5)yD(n)=o0′·sina-x(n)·cos其中,6为初始元线角。经整理,得曲面元线表达式为Z=Z(n)x= x(n)=ly(n)-yD(n)+tane (n).xD(n)/tan (n)2.3在 Math CAD中建立犁体曲面的数学模型选择耕深a、耕宽b导曲线高度与开度比n、直线I和Ⅱ被分割的份数m切土角e、导曲线两端点切线夹角a、直线段长度S、初始元线角B、元线号n、元线角6(n)、防漏耕的重叠宽度△b(4b=20~30mm)和最小元线角所在高度z为自变量2。其中,a、b、m、S、B0、和z为固定自变量,、E、a、n和6(n)为可变自变量。土垡的耕深和耕宽为a=30mm、b=450mm,犁曲面最高点h=570mm选择适当的直元线数目不仅可较图3犁体曲面轮廓图准确地表达犁曲面的形状,还不会过多增加绘制犁曲面所用的时间,因此选取Mh=30mm,故直元线数目为20条,元线逐个将直线I和直线Ⅱ上相应的点连接求出该组数的号n的取值范围为0-19直线段长度一般为S=30-60最小值即为导曲线上相应于元线号n的开度数值,其坐标mm,当S取较大值时翻土作用较强。因此取S=60mm。防为漏耕的重叠宽度4b=20mm,直线和Ⅱ被分割的份数m=∫x(n)=x(n,)712,初始元线角B0==90mm。根据相关资x(n)=△(4)料,求得土垡铺放角6=5106°,图3中铧刃线末端点B的22犁体曲面的数学模型假设第n根直元线与导曲线交坐标为(647,470,0),壁翼线端点E的坐标为y=65g点的坐标为xD(n)yD(n),由图3中的俯视图得到以下几56壁翼线与铧翼线的交点D的坐标为yo=253,=90,得何关系直元线表达式: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-根据轮廓点的横坐标确定直元线方程中x的取值范围。5.58和573kN改变元线号n将得到一系列直元线的参数方程。从而得到不同的直元线表达式和不同的犁曲面模型。根据得到的犁曲面的直元线参数方程,在Po/ Engineer中创建犁体曲面的实体模型3显式动力学有限元分析基于已建立的犁曲面一土壤系统的仿真模型,退出ANSYS前处理,进入 LS-DYNA求解器,对能量选项、体积粘滞系数、求解时间等进行设定,并将系统合力( RCFORO)等的中国煤化工ASCI信息写人关键字文件(K文件),将K文件输入ISDYNA求解器进行求解计算。求解结束后,在 Isprepostd后处ICNMHG理程序中可察看犁曲面翻土的仿真过程(图4)。犁耕过程图4犁体曲面翻土仿真中犁体所受的牵引阻力如图5所示。耕作速度分别为1.33、Flg. 4 The curved turning simulation of plow body200和233m/s时,犁曲面所受到的牵引阻力分别为5.4、11162安徽农业科学2009年五8s8四五卡型881. 33 w/sa 8时间Tims时间Tms时间Tims田5曲面受力曲线Fig. 5 The curved force curve4仿真模型的验证物理试验与仿真试验的误差分别为88%6.3%、3.8%。说釆用仿真试验获得的牵引力和物理试验获得的牵引力明所建立的犁曲面模型具有较高的精度,可用于模型仿真研对比验证仿真模型。该研究将仿真试验得到的数据与丁金究工作。玲的研究结果进行比较(犁曲面参数相同),由表1可知,參考文献衰1仿真试验结果与物理样机试验结果的比较农业机械学(上册)[M].北京:中国农业出版社,200:323Table 1 Tbe comparison between simulation test results and physica2]北京农业工程大学农业机械学(上册)M]2版北京:中国农业出版machine test results社,194:10-11l拖拉机前进犁耕牵引阻力/kN[3]电机工程手册编委员会机械工程手册(第65篇)[M]北京机械速度∥m/sTraction resistance of plowing田间实际情况仿真试验结果误差/%[4]石林吕钊钦景奉水等计算机在犁体设计中的应用研究[]山东Actual field situations Simulation test resError农业大学学报2001,31(2):161-16[5]尚晓工苏建字,王锋等 ANSYS/IS-DYNA动力分析方法与工程实5.25[6]丁金玲ID40型深耕犁犁架的仿真优化研究与优化设计[D].南5.525.73宁:广西大学,2007(上接第1114页)用地和水域面积呈减少趋势。东北黑土区土地利用变化转的恶化为代价。经济规模的扩大以及建设用地(城镇、农村换情况主要为:林地向耕地转换草地向耕地转换、未利用地居民点、工矿、道路等)的扩张导致优质耕地减少,坡地和陡向耕地转换以及耕地向城镇工矿用地转换。坡地的开垦使得林、草地遭受破坏,从而造成生态环境的恶(2)在自然因素和人文因素的综合驱动作用下东北黑受经济利益的驱动同时又因将草地和林地开垦为耕地土区土地利用发生了显著的变化,人地系统矛盾突出。的代价较低的缘故促使人们大面积地毁林毁草以开垦耕此制定合理的土地利用政策,调整产业结构与土地经营方地。由此可见,农作物与牧业产品的价格比的变化也是土地式促进东北黑土区农业生产持续发展和加速区域环境整治利用发生变化的因素之一。已势在必行。城市化进程是社会经济发展的必然产物随着国民经济参考文献的进一步发展,城市扩张和居民地增加是现在乃至将来的发 TURNERII B L, SKOLE D, SANDERSON S, et al. Land-use and展趋势。宏观政策对土地利用也是有重要影响的,它引导着er change, science/ research plan( IGBP Report No 35, HDP RepoIM]. Stockholm and Geneva: IGBP of the ICSU and HDP o社会的经济生产活动,进而影响土地利用的方式和强度。例如在20世纪80年代中期,由于畜牧产品价格下跌而粮食2 JONATHANAF, RUTH DEFRIES, ASNER GREGORY P, et al. Globalsequences o land use[J]. Science, 2006,309:570-574.价格受到国家政策的保护,使得开荒种地比经营畜牧业更有[3]贾宁凤姚春龙徐振君土地利用生态系统分析及服务价值估算利可图,加上受全国新一轮开发后备土地资源浪潮的影响以北京市平谷区白各庄村为例[]中国生态农业学报2006,14(3)致使许多牧民弃牧从农,导致草地减少,耕地增加。20世纪[4]刘远国家资源环境遥感宏观调查与动态监测研究[冂遥感学报,90年代后期以来,随着吉林省和黑龙江省“生态省建设”工97,31(1):25-20[5]摆万奇,贤忠内蒙古自治区奈曼旗土地利用变化预测研究[小]资程的实施,退耕还林还草等生态保护措施才得到加强。源科学,2003,25(2):73结论与讨论中国煤化工()东北黑土区生态环境建设和农业持续发展的关键问今CNMHG祝[]中国生态农业学报题在于解决好水土资源的持续利用与保护。该文的研究结[8]李平,车.找国现阶段土地利用变化驱动力的宏观分析果表明,1986~2000年期间东北黑土区土地利用的主要变[刀.地理研究201,20(2):I2-138.化为:耕地和城镇工矿地面积呈增加趋势,林地、草地、未利