基于扩展有限元法和离散元法的土壤—耕具接触研究

土壤-耕具接触是农业耕作过程的一个重要研究方向。准确了解土壤-耕具接触的力学行为可以为减小耕作部件切削阻力,降低能源消耗提供理论基础。多种方法可用于研究土壤-耕具接触问题,其中主要包括理论分析、试验分析和数值模拟三大类。数值模拟相比理论分析和试验分析,能节约时间,节省人力物力,是分析土壤-耕具接触问题的一种可靠方法。 本文选择云南红壤土为试验土壤,通过室内试验获取红壤土基本物理和力学性质参数,在此基础上建立了土壤-耕具接触的扩展有限元模型和离散元模型,使用数值模拟结合正交试验设计方法,研究不同刀具前角、耕作深度和土壤-耕具间摩擦系数对切削阻力的影响,及切削过程中土壤裂纹的扩展形态。数值模拟结果如下： (1)当刀具前角一定时,随着耕作深度和土壤-耕具间摩擦系数的增加,裂纹长度随之增长且趋于平缓；当刀具前角和耕作深度不变,而土壤-耕具间摩擦系数不同时,裂纹形态的扩展趋势不同； (2)当刀具前角为20。,耕作深度为0-10cm,土壤-耕具间摩擦系数为0.45时切削阻力较小,当刀具前角为25。,耕作深度为11-20cm,土壤-耕具间摩擦系数为0.7时切削阻力较大； 本文所得数值模拟结果与已有实验数据基本相符合。通过对不同因素水平下得到的切削裂纹形态和切削阻力大小进行分析,最终得到以下结论： (1)不同因素水平下土壤切削过程产生的裂纹形态及切削力大小是不同的； (2)刀具前角、耕作深度及土壤-耕具间摩擦系数都是影响耕作过程切削阻力大小的因素,而且因素间的交互影响不可忽视； (3)通过正交设计方差分析结果显示,耕作刀具前角是影响耕作过程切削阻力大小的主要因素,其次为前角-摩擦系数交互作用、耕作深度、土壤-耕具间摩擦系数和前角-耕深交互作用；通过正交设计直观分析结果显示,耕作刀具前角是影响耕作过程切削阻力大小的主要因素,其次为前角-摩擦系数交互作用、土壤-耕具间摩擦系数、耕作深度和前角-耕深交互作用； (4)通过正交设计直观分析结果显示,对于前角的影响,前角为15。时对切削阻力的影响最小,而前角为25。时对切削阻力的影响最大；对于耕深的影响,耕深为0-10cm时对切削阻力的影响最小,而耕深为21-30cm时对切削阻力的影响最大；对于摩擦系数的影响,摩擦系数为0.6时对切削阻力的影响最小,而摩擦系数为0.7时对切削阻力的影响最大； (5)通过切削阻力趋势图可得,以切削阻力最小为评价指标的最优方案为前角15°,耕深0-10cm,摩擦系数0.6； 本文所得结果可以为土壤-耕具接触研究的继续开展提供理论基础和技术保障。