基于离散元法的开沟器试验研究

开沟器是播种机械和施肥机械上的重要工作部件，其工作性能影响着整个播种（施肥）机具的工作质量。研究土壤—耕作部件相互作用的传统方法为有限元法，这种方法将土壤视为一个整体，然而土壤具有散粒体的特征，且在耕作过程中存在土层的分离和混合及土壤颗粒的流动，利用有限元法无法从细观准确描述土壤运动。离散元法是一种分析散体颗粒的不连续数值模拟方法，由Cundall于20世纪70年代提出。土壤作为一种典型的复杂颗粒团聚体，具有明显的散体颗粒特征，因而利用离散元法研究土壤—机械相互作用的过程比较合适。 本文对开沟器的工作过程进行了离散元仿真分析及玻璃土槽试验研究。土槽试验中选用的是长春地区的典型黑壤土，对土壤的物理性质和力学性质进行测试，得到了土壤的性质及离散元仿真时所需要的一些参数。根据这些参数对芯铧式开沟器的工作过程进行初步的仿真，得到一组仿真数据；然后采用全面试验的方法对芯铧式开沟器进行土槽试验。在进行开沟器土槽试验时，自建一面为透明的微型玻璃土槽试验台，利用双向力传感器和动态应变测试系统对开沟器工作过程中的水平阻力和垂直阻力进行了测试；对土壤进行分层处理，并利用高速摄像机从不同角度拍摄开沟器工作过程中的土壤扰动情况。 通过仿真结果与土槽试验结果的对比发现初步建立的土壤颗粒模型误差较大，在对参数修正之后重新进行仿真分析。利用修正的仿真模型所得到的芯铧式开沟器工作阻力的走向和趋势与试验结果保持一致；且通过仿真过程的截图与高速摄像记录的结果进行对比发现土壤的扰动情况相类似，验证了利用离散元分析软件所建立的土槽模型中参数的合理性。其中，土壤颗粒接触模型为Hertz-Mindlin粘结模型，土壤颗粒间的法向刚度系数为13000～25000N/m，切向刚度系数为9000～19000N/m；临界法向应力为50000～62000Pa，临界切向应力为25000～35000Pa。为了验证土壤模型的通用性，又对滑刀式开沟器的工作过程进行了仿真分析，并与其土槽试验的结果进行对比，二者具有良好的相关性，进一步验证了土壤模型及参数选取的合理性。 本文通过对两种开沟器进行室内土槽试验和离散元法仿真试验，表明了利用离散元法进行土壤—机械相互作用研究的优势；研究结果为开沟器的设计和优化提供了新的思路和方法。