前期土槽試驗結果表明,與傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥相比,采用Q235制成的正12面體仿生鎮(zhèn)壓輥的防壅土效果顯著,但無法起到減粘降阻的效果。為此,采用有限元方法,從Mises應力云圖、接觸面積和位移云圖3方面對比了正12面體仿生鎮(zhèn)壓輥和傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥的壓實效果。結果表明:正12面體仿生鎮(zhèn)壓輥作用于土壤的Mises應力比傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥增加了40.07%,有利于種子與土壤緊密接觸;正12面體仿生鎮(zhèn)壓輥與土壤的接觸面積比傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥高3.10%,意味著正12面體仿生鎮(zhèn)壓輥起不到防粘的作用;正12面體仿生鎮(zhèn)壓輥對應土壤模型節(jié)點在X方向的位移比傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥降低5.88%,證實正12面體仿生鎮(zhèn)壓輥能起到一定的防壅土作用;兩種鎮(zhèn)壓輥對土壤造成的Y方向的擾動范圍及位移變化量相差不大,表明兩種鎮(zhèn)壓輥壓后土壤容重接近;正12面體仿生鎮(zhèn)壓輥造成土壤Z方向位移變化的最大值比傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥高出5.04%,意味著正12面體仿生鎮(zhèn)壓輥消耗的功要略高于傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥,與土槽試驗結果吻合。研究結果可為農業(yè)機械觸土部件壓實性能的有限元分析提供數(shù)值模擬方法。 

【文章來源】：農機化研究. 2020,42(11)北大核心

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

RP的Y向位移

根據(jù)土槽試驗所用傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥及優(yōu)化得到的正12面體仿生鎮(zhèn)壓輥的尺寸,在ABAQUS軟件中建立三維模型。鎮(zhèn)壓輥和正12面體仿生鎮(zhèn)壓輥材料均采用Q235鋼,外徑325 mm,寬200 mm,厚8 mm,正12面體仿生鎮(zhèn)壓輥的截面為內接于直徑為325mm的圓的正12邊形[3],建完三維模型后進行網(wǎng)格劃分,如圖2所示。將鎮(zhèn)壓輥看作離散剛體部件,在其中心位置設置參考點RP來控制它的運動,給RP定義點質量(0.1 t) 和轉動慣量(2153.825 t·mm2)[20]。在對鎮(zhèn)壓輥進行網(wǎng)格劃分時,選擇了六面體網(wǎng)格,網(wǎng)格大小設定為12mm,網(wǎng)格單元采用R3D4,且采用自由網(wǎng)格劃分技術劃分。

研究結果表明,穿山甲在潮濕地帶挖洞覓食時,其體表的鱗片基本不粘土[8]。為解決鎮(zhèn)壓輥作業(yè)過程中存在的粘附、阻力大、壅土的問題,研究前期學習穿山甲體表鱗片的多邊形結構,設計出3種仿生鎮(zhèn)壓輥,分別為正12面體、正15面體和正18面體仿生鎮(zhèn)壓輥[3],并在室內土槽對比了它們與傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥的作業(yè)效果,所有鎮(zhèn)壓輥的材料選用Q235。試驗結果表明:正12面體仿生鎮(zhèn)壓輥的種子粒距變化率最低,比傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥降低33.19%,說明防壅土效果最好,但沒起到減粘降阻的效果。為解決這個問題,將正12面體仿生鎮(zhèn)壓輥的材料分別改為超高分子量聚乙烯(UHMWPE)和搪瓷涂層,經(jīng)對比試驗發(fā)現(xiàn):較傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥,采用UHMWPE和搪瓷涂層的正12面體仿生鎮(zhèn)壓輥的粘附土壤量和阻力都要小,且采用UHMWPE時粘附土壤量最少,采用涂搪瓷涂層時阻力最低[3]。農業(yè)機械觸土部件對土壤的作用是一個復雜的過程,土槽試驗和田間試驗均從宏觀角度來研究農業(yè)機械觸土部件的工作性能,不能從微觀層面對農業(yè)機械觸土部件與土壤的相互作用的行為規(guī)律進行系統(tǒng)分析。有限元方法特別適于處理一些包含幾何和材料非線性的問題,許多學者使用有限元方法來研究農業(yè)機械觸土部件與土壤的相互作用過程[9-16]。ABAQUS是國際上先進的大型通用有限元計算分析軟件之一,在求解高度非線性問題上具有十分優(yōu)異的能力[17-18]。為了進一步從土壤內部分析正12面體仿生鎮(zhèn)壓輥的壓實性能,采用ABAQUS/Explicit顯示動態(tài)分析模塊,從土壤內部分析正12面體仿生鎮(zhèn)壓輥的壓實性能,并與傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥進行對比。

【參考文獻】：
期刊論文
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[3]行間耕播機彈性可覆土鎮(zhèn)壓輪性能有限元仿真分析及試驗[J]. 賈洪雷,郭慧,郭明卓,王立春,趙佳樂,范旭輝.  農業(yè)工程學報. 2015(21)
[4]仿形彈性鎮(zhèn)壓輥減粘防滑結構設計與試驗[J]. 賈洪雷,王文君,莊健,羅曉峰,姚鵬飛,李楊.  農業(yè)機械學報. 2015(06)
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本文編號：3522058