重庆市典型土壤耕作力学特性及深松性能研究

摘要

重庆市地处我国四川盆地东部，地形以丘陵、山地为主，目前主要使用微耕机进行耕作。由于长期浅耕造成犁底层加厚和土壤板结的问题，严重影响了作物的根系发育以及土壤的蓄水保墒能力，限制了农业生产水平的发展。土壤深松技术是农业保护性耕作四项技术之一，通过土壤深松可以打破坚硬的土壤犁底层，改善土壤的通透性，提高水分利用率，从而改善作物生长环境，提高作物产量。深松铲是实现深松作业的核心部件，深松机在田间作业的主要能耗来自于深松铲克服土壤阻力所做的功。深松铲的结构尺寸对深松作业的耕作阻力有着重要的影响，合理的结构参数能够有效降低耕作阻力，减少功耗，同时可以减少深松铲在工作过程中的磨损，增加其使用寿命。因此，为了提高深松铲在作业过程中的减阻耐磨性能，达到更理想的耕作效果，对深松铲作业时的运动过程以及耕作阻力的研究十分必要。
　　本文以一种新型的仿生减阻深松铲作为研究对象，在研究重庆市土壤特性的基础上，运用光滑粒子流体动力学（SPH）对深松铲的耕作过程展开数值模拟分析，并通过虚拟正交试验，对深松铲的关键结构参数进行了优化，意在于寻求出一种适合于重庆市深松作业的高效减阻深松铲，以期为后续的深松铲设计及研究提供理论依据。主要研究内容和结论如下：
　　（1）采用正交试验的方法对重庆市的三种典型土壤进行采样，研究其密度、含水率以及抗剪强度指标与土壤种类、采样点和采样深度之间的关系，并进行了误差分析和验证。结果表明，耕层土壤的基本物理和力学性质主要取决于土壤类型，与土壤采样点和采样深度的关系较小，土壤的各项参数可通过几组平行试验结果的数值平均获得。
　　（2）通过三维造型软件Creo3.0对深松铲进行三维实体建模，并基于SPH法采用ANSYS中的LS-DYNA模块对深松铲进行了切土动力学仿真分析。将仿真得到的耕作阻力与现有试验研究的结果进行对比，相对误差为3.3%，验证了通过切土动力学仿真预测耕作阻力的可行性。
　　（3）采用重庆市紫色土的土壤性质参数作为SPH粒子模型的材料参数，对深松铲进行切土动力学仿真。结果表明，深松铲耕作阻力时程曲线的线型与之前所得基本一致，说明仿真结果正确，验证了所测土壤各项参数的正确性，即所测土壤参数能够用于深松铲切土动力学仿真。
　　（4）采用虚拟正交试验的方法，选取深松铲的纵深比L/D、破土刃口夹角以及入土角α作为因子，通过深松铲切土动力学仿真，以耕作阻力为评价指标，分析了三个因子对深松铲耕作阻力的影响。结果表明，试验因子主次为A>B>C，所选因子水平下的深松铲最优组合为A1 B1 C3，即深松铲的纵深比为0.7、破土刃口夹角为55o、入土角为27o时耕作阻力最小。
　　（5）对优化前后的深松铲进行同等条件下的切土动力学仿真，比较其耕作阻力的变化；并通过 ANSYS中的 Workbench模块对优化后的深松铲进行有限元静力学分析，分析深松铲在静力学条件下的变形、应力以及弹性应变情况。结果表明，优化后的深松铲耕作阻力减少25.7%，优化效果明显；优化后的深松铲在静力学条件下的最大等效应力为161.11MPa，远小于材料的许用应力[ ]=1041MPa，在结构上能够满足作业过程中的强度和刚度要求。

目录

声明

第1章 文献综述

1.1 耕作力学基础

1.2土壤深松技术及深松机具研究现状

第2章 绪论

2.1研究背景及意义

2.2研究内容

2.3研究技术路线

第3章 重庆市土壤力学特性研究

3.1重庆市土壤类型简介

3.2重庆市典型土壤的基本性质研究

3.3本章小结

第4章 深松铲模型建立及切土动力学仿真分析

4.1深松铲工作受力的理论分析

4.2深松铲的选取

4.3深松铲模型的建立

4.4深松铲切土动力学仿真

4.5基于重庆市土壤特性的深松铲切土动力学仿真

4.6本章小结

第5章 深松铲结构参数优化

5.1深松铲耕作阻力虚拟正交试验

5.2深松铲优化效果仿真验证

5.3深松铲有限元静力学分析

5.4本章小结

第6章 结论与讨论

6.1结论

6.2讨论

参考文献

致谢

在校期间科研成果