耙压式除草轮与水田土壤作用的流固耦合仿真分析及验证

摘要：

为探明水稻机械除草过程中，除草轮的工作阻力大小变化及水田土壤的动态行为，该文利用 ANSYS 软件的显式动力分析模块LS-DYNA对耙压式除草轮在水田环境下的作业过程进行仿真分析。采用ALE（Arbitrary Lagrange-Euler）多物质耦合算法建立了土壤-水两物质耦合有限元模型；运用流固耦合算法分析除草轮与土壤-水模型的相互作用过程。采用有交互作用的正交试验方法选取土壤种类、水层厚度和除草轮旋转速度3个因素进行仿真试验分析，得到各因素及其一级交互作用对除草轮和土壤-水模型的耦合应力和土壤扰动率的影响规律。利用多目标优化设计方法综合评判仿真试验结果，综合评分结果表明，在不同的土壤工作环境下，除草轮在水层厚度为60 mm、转速为160 r/min的作业条件下均可获得较优的工作性能。影响除草轮和土壤-水模型耦合应力的因素主次顺序为：土壤种类＞水层厚度＞土壤种类×水层厚度＞土壤种类×除草轮转速＞除草轮转速＞水层厚度×除草轮转速。影响土壤扰动率的因素主次顺序为：土壤种类＞除草轮转速＞土壤种类×水层厚度＞土壤种类×除草轮转速＞水层厚度＞水层厚度×除草轮转速。为验证仿真结果，进行了田间试验和土槽试验，根据仿真所得耦合应力值推导出除草轮所受土壤反作用力扭矩值，与田间实测值相对误差为8.84%；仿真所得土壤扰动率与土槽试验实测值相对误差为9.86%；仿真所得综合评分结果与试验综合评分结果相对误差为7.02%。仿真分析结果可为轻简式水稻除草机应用在不同稻区的田间作业参数提供参考。

关键词：农业机械、土壤、有限元方法、切削、除草、流固耦合、水田

分类号：S224.1(农业机械及农具)

资助基金：广州市珠江科技新星专项2014J2200041；现代农业产业技术体系建设专项资金资助 CARS-01-33；广东省教育厅科研项目2013KJCX0034；南方稻田多熟制现代化生产协同创新资助

在线出版日期：2015-03-25（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共9页

页码：29-37