基于SPH/FEM法的土壤深松过程仿真研究

摘要 通过Pro/E软件建立弧形深松铲切削土壤的三维模型，在ANSYS Workbench中对模型进行有限元前处理，并生成K文件，在LS—PrePost软件中对K文件进行修改，生成仿真所需SPH粒子模型，选择MAT 147号材料模型作为土壤，运用SPH/FEM耦合方法进行土壤深松进行动态仿真，仿真结果达到试验预期，为土壤深松数字化设计提供新的方法。

关键词 深松;深松铲;SPH法;仿真

中图分类号 S126  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2014）32-11580-02

Simulation of Soil Deep Loosening Process Based on SPH/FEM Method

YUAN Jun， WANG Jingli

（The College of Engineering and Technology， Jilin Agricultural University， Changchun， Jilin 130118）

Abstract A threedimensional model of subsoiler was constructed through Pro/E software， the finite element preprocessing was conducted on the model in ANSYS Workbench， K file was obtained and was modified in the LS PrePost software， generating the required SPH particle simulation model. Choosing MAT No.147 material model as soil， dynamic simulation was conducted on soil deep loosening by using SPH/FEM coupling method. The simulation results achieved the experimental expectation， which will provide a new method for soil deep loosening digital design.

Key words Deep loosening; Subsoiler; SPH method; Simulation

基金项目 吉林省科技厅资助项目（20090212）。

作者简介 袁军（1985- ），男，江苏宿迁人，助教，从事农业机械化工程方面的教学与科研工作。

收稿日期 20141009

土壤深松是保护性耕作中一项关键技术[1]。作为深松机具的核心部件，能否满足使用强度要求，达到减小深松耕作阻力和预期的松土效果是考量一个深松铲产品好坏的重要标准。因此深松铲的优劣标志着深松技术的水平。

传统的农机部件的设计大多采用经验设计与类比设计的方法，设计的精度和可靠性并不高，随着CAD、CAE技术的不断发展，涌现出了大量优秀的计算机辅助设计与分析的软件，例如PRO/E、CATIA、UG等三维设计软件和ANSYS、ADAMS、LS-DYNA等有限元及多刚体分析软件，这些软件的出现大大促进了现代机械的设计发展。

为此，笔者在机械化保护性耕作深松理论的基础上，运用三维设计软件Pro/E建立弧形深松铲切削土壤的三维模型，并对其进行FEM-SPH法分析，从而建立一种土壤深松过程模拟的新方法，为深松铲的优化设计提供一种新的途径。

1 SPH法简介

SPH法也称为光滑质子动力学法，是发展比较成熟的一种无网格法，它以核函数近似为基础，将连续介质离散为一系列具有质量的粒子，通过核估计将方程离散。因为光滑粒子法不存在网格，所以不存在计算大变形引起的困难，因为粒子本身是Lagrange 质点，因此可以跟踪物质运动，可以记录材料的变形历史和界面运动[2-3]。

2 土壤深松模型的建立

2.1 土壤深松的Pro/E参数化建模

首先，建立弧形深松铲的Pro/E模型，建模过程中去除圆角和定位孔。其次，建立土壤的Pro/E模型，内层土壤的长宽高分别为0.8、0.2、0.4 m，外层土壤的长宽高分别为 0.88、0.28、0.44 m。最后，利用Pro/E与ANSYS的数据接口，将装配模型导入到Pro/E中ANSYS Workbench中。如图1所示。

图1 Ansys Workbench深松系统模型

2.2 深松土壤模型的有限元前处理[4]

为了简化模型，在ANSYS Workbench中，取模型1/2，作为分析对象，并设置其动力学参数。

2.2.1 单位定义。设置模型的单位为kg/（m·s）。

2.2.2 网格划分。采用自动划分网格法划分深松铲模型，网格大小定义为10 mm，采用六面体网格划分土壤模型，定义外层土壤网格的大小为20 mm，定义内层土壤的网格大小为10 mm。

2.2.3 约束施加。定义深松铲的速度方向为-X轴，大小为3.6 km/h，土壤底部采用全约束，定义重力加速度方向沿Z轴正向，大小为9.8 m/s2，如图2所示。

图2 系统约束施加

2.2.4 分析设置。分析的时间为0.5 s，时间步安全因素为0.9。

至此有限元前处理完成，保存工程，并导出LSPrePost所需的K文件。

2.3 K文件关键参数定义

用LSPrePost软件对在生成的K文件关键参数进行定义，定义的主要步骤如下。

2.3.1 创建SPH粒子。将建模时的中间土壤模型转换为SPH粒子，选的的Method为Solid Center，输入土壤的密度设置为1 873 kg/m3，生成SPH粒子如图3所示。

图3 SPH粒子的添加

2.3.2 创建点组。通过*SET_NODE关键字，定义组1为外层土壤底面的节点，定义节点组2为所有的深松铲节点，定义组3为所有SPH节点，定义组4为SPH的外层节点;通过*SET_SEGM关键字，定义组4为外层土壤内表面，定义组5为外层土壤的外边面。

2.3.3 定义*BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION_RIGID_ID关键字。定义深松铲材质为刚性体，速度沿着X正方向。

2.3.4 定义*BOUNDARY_SPC_SET关键字。深松铲的所有自由度中除X方向都施加固定约束。

2.3.5 定义*CONTACT_AUTOMATIC_NODES_TO_SURFACE_ID关键字。设置SPH粒子与深松铲有限元模型接触方式为自动点面接触，其中主接触面为深松铲，从接触点为SPH粒子。

2.3.6 添加*CONTACT_TIED_NODES_TO_SURFACE_ OFFSET_ID关键字。设置SPH粒子与外层土壤进行点面位置约束，主接触面为外层土壤，从接触点为SPH粒子。

2.3.7 定义*CONTROL_CONTACT关键字。定义SLSFAC为1，定义接触面罚函数为1。

2.3.8 定义*CONTROL_SPH关键字。采用三维SPH粒子计算。

2.3.9 定义*CONTROL_TERMINATION关键字。设置运算结束时间为0.5 s。

2.3.10 添加深松铲材料*MAT_RIGID_TITLE关键字。深松铲为刚性材质，定义密度为7 800 kg/m3，弹性模量约为2.1 e11Pa，泊松比为0.3。

2.3.11 添加土壤材料*MAT_FHWA_SOIL关键字。定义水密度为1 000 kg/m3，定义土壤的密度为1 837 kg/m3，土壤比重为2.65，定义土壤剪切模量G为2.73 MPa，体积模量为K为5.92 MPa，土壤的内摩擦角为0.42，黏塑性参数为1.1，土壤的含水率设置为34%，内聚力为12 KPa，定义最大主失效应力为0.8。

2.3.12 添加*SECTION_SPH关键字。定义SPH粒子光滑长度为1.2。

保存修改后的K文件，利用Mechanical APDL Product Launcher中的LSDYNA求解器进行求解运算，计算结果如图4所示。

图4 弧形深松铲切削土壤仿真

2.4 仿真结果分析

仿真结果显示，深松铲工作过程中，深松深度达到40 cm，与铲头接触部分的土壤被紧密地压缩，铲身两侧的土壤也同时被压缩，表层土壤在耕作过程中向上隆起，但受到弧形铲刃的切削和压力作用而无法呈块状翻起，达到了松土而不翻土的目的，同时深松后的土壤内部较深松前要疏松。

3 结语

该研究运用三维设计软件Pro/E建立弧形深松铲切削土壤的三维模型，并对其进行FEM-SPH法仿真，仿真结果与田间试验的结果基本吻合，达到了预期的目的。

该研究建立了一种土壤深松过程模拟的新方法，为深松铲的优化设计提供一种新的途径，并为土壤深松数字化设计提供新的方法。

参考文献

[1] 朱凤武，王景利，潘世强，等.土壤深松技术研究进展[J].吉林农业大学学报，2003，25（4）：457-461.

[2] 张刚明.光滑粒子法及其在冲击动力学中的应用[D].合肥：中国科学技术大学，2002.

[3] LIU G R，LIU M B.光滑粒子流体动力学——一种无网格粒子法[M]. 韩旭，杨刚，强洪夫，译. 长沙：湖南大学出版社，2005.

[4] 袁军. 基于土壤动力学的弧形深松铲数字化设计[D].长春：吉林农业大学，2012.

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