木薯塊根拔起的最大應力數值模擬及試驗

楊 望，李曉月，王蓉蓉，楊 堅，潘 琴，李娟娟

（廣西大學機械工程學院，南寧 530004）

木薯塊根拔起的最大應力數值模擬及試驗

楊 望，李曉月，王蓉蓉，楊 堅※，潘 琴，李娟娟

（廣西大學機械工程學院，南寧 530004）

為了探明木薯拔起時塊根最大應力的影響規律和確定塊根不被拔斷的允許最大拔起力，論文采用FEM（finite element method）和SPH（smoothed particle hydrodynamics）的耦合方法及二次回歸旋轉設計方法，通過構建土壤－塊根-莖稈系統的數值模擬計算模型，進行木薯塊根拔起數值模擬試驗，測定各因素組合條件下的塊根最大拔起力和塊根最大應力，建立塊根最大應力與拔起速度、塊根的大小、長短和生長深度及土壤的軟硬程度的多因素耦合數學模型，研究了各影響因素及交互作用對塊根最大應力的影響規律，同時，通過塊根最大拔起力和塊根最大應力的散點圖，研究了塊根最大拔起力和塊根最大應力的相關性，確定了塊根不被拔斷的允許最大拔起力，且2014年12月底在廣西武鳴縣某木薯種植地，采用隨機抽樣方法，進行了木薯塊根最大拔起力和塊根拔斷率的田間試驗和統計分析，對塊根不被拔斷的允許最大拔起力進行了驗證，最大拔起力小于0.98 kN時，塊根拔斷率為2.5%。結果表明，塊根最大應力與各影響因素的多因素耦合數學模型的F檢驗在0.000 1水平上顯著，精度較高，可用于塊根最大應力的影響分析；塊根最大應力隨拔起速度的增大呈先增大，后減小的變化，隨生長深度、塊根長度和土壤硬度的增大而增大，隨塊根直徑的增大而減??；塊根最大應力與最大拔起力相關性不強，塊根允許最大拔起力約為0.98 kN。

農業機械；模型；木薯塊根；數值模擬試驗；數學模型；最大應力；允許最大拔起力

楊 望，李曉月，王蓉蓉，楊 堅，潘 琴，李娟娟.木薯塊根拔起的最大應力數值模擬及試驗[J].農業工程學報，2016，32（6）：58-64.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.06.008 http://www.tcsae.org

Yang Wang,Li Xiaoyue,Wang Rongrong,Yang Jian,Pan Qin,Li Juanjuan.Numerical simulation test of maximum stress of tuber in cassava lifting[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE）,2016,32(6):58－64. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.06.008 http://www.tcsae.org

0 引言

挖拔式木薯塊根收獲機械是主要的木薯塊根收獲機械之一，國內外學者對其進行了一定的研究，取得了一定成果。80年代德國萊比錫大學研制出了一種挖掘松土-拔起分離型的木薯塊根收獲機，該機采用了夾持帶拔起塊根，向后上方輸送作業方式，功耗小，但由于塊根拔起機構設計缺乏依據，塊根收獲損失大[1]。之后，愛沙尼亞公司在該機的基礎上進行改進設計，研發出了一種Chm-3407型挖掘松土-拔起分離型的木薯塊根收獲機[2]。2012年廖宇蘭等對挖拔式木薯收獲機的挖掘鏟、夾持輸送機構和動力傳動機構進行了設計，并對其關鍵參數進行了研究[3]。2000年Agbetoye等采用力學分析方法，建立了拔起土中平板的力學分析模型，對拔起力進行了分析，結果表明，預測值和實測值一致，但考慮木薯塊根影響時，預測值大于實測值[4]。2011年楊望等采用物理試驗、土力學分析方法，建立了木薯塊根拔起力的力學模型和數學模型，對塊根最大拔起力進行了預測，分析了塊根最大拔起力的影響規律，結果表明，塊根拔起速度對拔起力有大的影響，建立的數學模型預測精度較高[5]。2015年楊望等采用FEM（finite element method）和SPH（smoothed particle hydrodynamics）的耦合算法，建立人-莖稈-塊根-土壤系統的數值模擬計算模型，研究了人的塊根拔起機理[6]。2013年李娟娟采用FEM和SPH的耦合算法，建立莖稈-塊根-土壤系統的數值模擬計算模型，研究了塊根拔起速度和最大拔起力的關系[7]。但目前塊根拔起速度、塊根的生長情況和土壤的軟硬程度對木薯拔起過程塊根產生的最大應力值（下面簡稱最大應力）的影響規律及塊根最大拔起力與最大應力關系的研究匱乏，機械拔起速度控制系統的設計缺乏依據。

塊根生長于土中，生長情況差異性較大，通過物理試驗方法較難測定木薯拔起時塊根的應力變化，且在塊根的拔起過程中土壤出現剪切破裂現象，因此，為了探明塊根拔起速度、塊根的大小、長短和生長深度及土壤的軟硬程度對最大應力的影響規律，同時，為了解決田間木薯拔起收獲時塊根應力無法測量，導致無法準確控制木薯塊根拔起速度使塊根最大應力小于塊根允許的最大應力，同時達到減少塊根收獲拔斷損失和提高收獲效率的難題，本文采用FEM和SPH的耦合方法及二次回歸旋轉設計方法，參考文獻[6]給出的塊根拔起數值模擬模型建模方法，構建不同條件下的土壤-塊根-莖稈系統的數值模擬計算模型，進行塊根拔起數值模擬試驗，通過回歸分析建立拔起速度、塊根的大小、長短和生長深度及土壤的軟硬程度與最大應力的數學模型，研究探明拔起速度、塊根的大小、長短和生長深度及土壤的軟硬程度對最大應力的影響規律，同時，通過研究塊根最大應力和最大拔起力的關系，確定塊根不被拔斷允許的最大拔起力條件，為木薯塊根收獲機械拔起機構控制系統設計提供依據。

1 數值模擬計算模型的建立

1.1 幾何模型

木薯塊根的生長大多呈單層圓盤狀分布，單個塊根近似呈長的圓錐形，如圖1a所示。SPH法要求相同材料的所有SPH節點有相同的質量，建模生成的粒子均勻分布，且有規則，這樣才能提高其計算精度，因此，建模時，把單個塊根簡化成前部為一長方體，其余部分為一長的正四棱臺，而莖稈簡化成長方體，塊根呈對稱分布，如圖1b所示，其中，短塊根的最小截面的邊長為最大截面邊長l2的1/2，最大截面積的塊根段長度l1為塊根長度l的1/3，長塊根的尺寸按圖1b所示的比例確定。

圖1 木薯塊根圖Fig.1 Cassava tuber

塊根拔起時，接近塊根的土壤產生大變形和破裂，離塊根較遠區域的土壤產生小變形，因此，在接近塊根區域的土壤（內層土壤）使用SPH，在離塊根較遠區域的土壤（外層土壤）使用FEM，同時，為避免邊界處波的反射對求解域的影響，對外層土壤外邊界（有限域表面）施加無反射邊界來模擬地面。在進行數值模擬試驗設計的試驗時，按上述的要求及試驗方案中的因素組合情況確定木薯塊根實體模型的幾何尺寸，分別進行建模，而土壤的建模幾何尺寸根據相應的塊根的長度和生長深度確定。由于實體模型對稱，建模時，只建其1/4實體。

1.2 材料模型

土壤模型：土壤本構關系對塊根拔起過程模擬結果有較大的影響[8-10]，因此，為了提高模擬計算精度，參照文獻[11-13]，選MAT_FHWA_SOIL作土壤材料模型，MAT_ FHWA_SOIL考慮了含水率、應變軟化、應變率效應、孔隙比及孔隙水壓力等的影響，且服從修正的莫爾-庫侖屈服準則

式中P為靜水壓力值，Pa；φ為內摩擦角，度；J2為應力偏張量第二不變量，Pa.Pa；K（θ）為張量平面角的函數；A為D-P系數；c為黏聚力，Pa。

土壤主要材料參數按文獻[6]的選取，其中，土壤密度為1 880 kg/m3，內摩擦角為10.03°，黏聚力為3 kPa，含水率為15%，而土壤彈性模量及相應的體積模量和剪切模量取值根據試驗設計方案確定。同時，為了易于探明各影響因素對塊根最大應力的影響規律和便于建模，把塊根和莖稈視作各向同性彈性材料建模，這時在數值模擬試驗中，當塊根的最大應力大于塊根的允許最大應力[σ]（2.66 MPa）[14]時，表示相應的塊根已被拔斷，且塊根的最大應力越大，表示塊根越易被拔斷。塊根材料參數：密度為1 036 kg/m3，彈性模量為7.23×106Pa，泊松比為0.3。莖稈材料參數：密度為836.8kg/m3，彈性模量為35.36×106Pa，泊松比為0.3[14]。

1.3 模擬計算模型

模擬計算模型的計算精度、求解時間與網格劃分疏密程度有關，網格尺寸小，仿真精度高，但求解所需時間長。本文綜合考慮取內層土壤網格邊長為0.008 m；外層土壤網格邊長為0.01 m；木薯莖稈和塊根連接處網格大小相同，邊長均為0.01 m；剩余部分塊根網格邊長為0.02 m。網格劃分方法均為掃略式。由于模型只建實體模型的1/4，因此，在定義對稱邊界條件時，約束對稱邊界網格節點的自由度，且對處于對稱邊界面附近的粒子用“虛粒子”處理，外層土壤外邊界（除地表面）施加約束。拔起木薯的試驗表明，塊根拔起后靠近莖稈的塊根上表面和側面及莖稈表面始終與土壤接合，呈一個土盤，因此，靠近莖稈處的塊根上表面和側面與土壤間及莖稈與土壤間定義為固連接觸，其余塊根的表面與土壤間定義為點面接觸，動摩擦系數取0.6，靜摩擦系數取0.7。圖2是建立的土壤-塊根-莖稈系統耦合模擬計算模型，圖3是木薯塊根拔起過程的數值模擬仿真截圖。

圖2 塊根拔起數值模擬計算模型Fig.2 Numerical calculation model of cassava lifting operation

圖3 塊根拔起過程的數值模擬仿真截圖Fig.3 Numerical simulation of cassava tuber lifting

2 試驗方案及結果

數值模擬試驗采用二次回歸旋轉設計方法進行。選取拔起速度、生長深度、塊根長度、塊根直徑和土壤硬度作為試驗因素，塊根最大應力和最大拔起力作為試驗指標。由于建模時每棵木薯的塊根分布形狀按圖1b構建，因此，本文以圖1b所示短塊根的長度作為塊根長度因素進行模擬試驗，長塊根的長度由圖1b所示的比例確定。而塊根的直徑大，其截面積大，因此，本文以圖1b所示塊根最大截面積處的塊根截面邊長作為塊根直徑大小的度量進行模擬試驗。土壤硬度是土壤的一個綜合性度量指標，由土壤的性質、彈性模量、含水率、密度等多個因素確定，且各因素的影響關系復雜，因此，為了便于建模和進行模擬試驗，把對硬度值影響較大的彈性模量作為因素進行模擬試驗，同時，為了獲得較多的試驗數據，提高回歸方程的精度，增加土壤彈性模量的水平數，進行2次二次回歸旋轉設計試驗，把試驗獲得的總數據進行回歸分析。因素水平如表1所示。數值模擬試驗方案及結果如表2所示。按表2的因素組合進行系統建模時，土壤模型的幾何尺寸取值范圍為：外層土壤尺寸（0.6～0.7）m×（0.6～0.7）m×（0.28～0.5）m，內層土壤的尺寸（0.412～0.6）m×（0.412～0.6）m×（0.18～0.4）m。

表1 多因素水平編碼表Table 1 Coding table of factor and levels

表2 數值模擬試驗方案及結果Table 2 Scheme and results of simulation experiment

3 試驗結果分析

3.1 回歸分析

運用SPSS軟件對表2的試驗數據進行回歸分析，得最大應力σ與拔起速度x1、生長深度x2、塊根長度x3、最大截面邊長x4和土壤彈性模量x5關系的數學模型為：

對數學模型式2和回歸系數進行顯著性檢驗，檢驗結果為：數學模型在0.000 1水平上顯著，其回歸系數也在0.06～0.001水平上顯著，表明數學模型的精度較高，且拔起速度、生長深度、塊根長度、最大截面邊長和土壤彈性模量對最大應力有大的影響。

3.2 單因素影響

應用MathCAD軟件對式2進行模擬計算，模擬計算時除考慮的因素外，其余的因素取零水平值（彈性模量取0．66 MPa），得出各因素與最大應力的關系曲線，如圖4所示。

由圖4a可知，最大應力σ與拔起速度x1呈凹面向下的拋物線變化，σ隨x1的增大先增大，后減小。其原因是，塊根拔起速度不同，塊根拔起時，莖稈與塊根連接處的塊根的彎曲應力、剪應力大小不同，拔起速度大，彎曲應力小，但剪應力大[15]，反之相反，而塊根最大應力的大小由塊根彎曲應力和剪應力決定，故σ不隨x1的增大而增大。由圖4b、c、e可知，最大應力σ與生長深度x2成線性關系變化，而與塊根長度x3和土壤彈性模量（土壤硬度）x5呈凹面向下的拋物線關系變化，σ隨x2、x3和x5的增大而增大。其原因是，在上述模擬計算的條件下，x2、x3和x5增大，塊根拔起時塊根的彎曲變形增大，彎曲應力增大，且剪應力也增大，故σ隨x2、x3和x5的增大而增大。

由圖4d可知，最大應力σ隨最大截面邊長x4(塊根的直徑)的增大呈凹面向上的拋物線減小，其原因是，最大截面的邊長增大，塊根截面積和抗彎截面系數增大，彎曲應力減小，剪應力也小，故最大應力隨最大截面邊長(塊根的直徑)的增大而減小。

圖4 影響因素與最大應力的關系曲線Fig.4 Relationship of influencing factors and maximum stress

3.3 因素交互影響

應用MathCAD軟件對式2進行模擬計算，模擬計算時除考慮的因素外其余的因素取零水平值（彈性模量取0．66 MPa），得出各因素交互作用與最大應力σ的關系圖，如圖5所示。

由圖5a可知，x1為0.3和x2為0.1組合時，σ最小，而x1為0.3和x2為0.2組合時，σ最大。x2小時，σ隨x1的增大呈凹面向下的拋物線減小，但x2大時，σ隨x1的增大呈凹面向下的拋物線增大。x1小時，σ隨x2的增大而減小，但x1大時，σ隨x2的增大而增大。

由圖5b可知，x1為0.3和x3為0.1組合時，σ最小，而x1為0.3和x3為0.4組合時，σ最大。x3小時，σ隨x1的增大呈凹面向下的拋物線變化，但x3大時，σ隨x1的增大呈凹面向下的拋物線增大。x1小時，σ隨x3的增大呈凹面向下的拋物線變化，而x1大時，σ隨x3的增大呈凹面向下的拋物線增大。

由圖5c可知，x1為0.3和x4為0.06組合時，σ最小，而x1為0.3和x4為0.03組合時，σ最大。σ隨x1的增大呈凹面向下的拋物線變化，σ隨x4的增大呈凹面向上的拋物線減小。

由圖5d可知，x2為0.2和x3為0.1組合時，σ最小，而x2為0.2和x3為0.4組合時，σ最大。x3小時，σ隨x2的增大而減小，而x3大時，σ隨x2的增大而增大。σ隨x3的增大呈凹面向下的拋物線增大。

由圖5e可知，x2為0.2和x4為0.06組合時，σ最小，而x2為0.2和x4為0.03組合時，σ最大。x4小時，σ隨x2的增大而增大，但x4大時，σ隨x2的增大而減小。σ隨x4的增大呈凹面向上的拋物線減小。

由圖5f可知，x2為0.1和x5為0.42組合，σ最小，而x2為0.2和x5為2.5組合時，σ最大。σ隨x2的增大而增大，隨x5增大呈凹面向下的拋物線增大。

由圖5g可知，x4為0.06和x5為0.42組合，σ最小，而x4為0.03和x5為2.5組合時，σ最大。σ隨x4的增大呈凹面向上的拋物線減小，而σ隨x5的增大呈凹面向下的拋物線增大。

圖5 因素交互作用與最大應力的關系圖Fig.5 Influence of factors interaction on maximum stress

3.4 塊根允許最大拔起力

圖6是由表2所示的塊根最大拔起力F和最大應力σ值作出的散點圖。由圖6可知，有些最大拔起力大，而其相應的塊根最大應力較小，有些最大拔起力相對小，而其相應的塊根最大應力較大，這和田間木薯塊根拔起試驗出現的有些塊根最大拔起力大，塊根未被拔斷，而有些塊根最大拔起力相對小，塊根卻被拔斷的情況一致，表明最大拔起力和最大應力的相關性不強。其原因是，最大拔起力隨拔起速度、塊根生長深度、塊根長度、塊根直徑和土壤硬度的增大而增大，而最大應力隨拔起速度的增大呈先增大，后減小的變化，隨生長深度、塊根長度和土壤硬度的增大而增大，隨塊根直徑的增大而減小。但由圖6可知，當最大拔起力小于0.98 kN時，塊根最大應力小于塊根的允許最大應力[σ]，塊根不被拔斷，表明塊根允許最大拔起力[F]值約為0.98kN。

圖6 最大拔起力和最大應力散點圖Fig.6 Scatter diagram of maximum lifting force and maximum stress

圖7 木薯塊根拔起力測試系統Fig.7 Sketch of measurement system for lifting force

由于木薯塊根生長于土中，田間試驗無法直接測量出木薯塊根拔起時塊根的最大應力及最大拔起力與塊根最大應力的對應關系，因此，在進行塊根允許最大拔起力的田間物理試驗驗證時，本文通過測量最大拔起力與塊根拔斷率的關系，間接驗證數值模擬試驗給出的塊根允許最大拔起力的合理性。田間木薯塊根拔起試驗使用的主要測試設備為動態應變測試儀（型號：DH5937，江蘇東華測試技術有限公司，選用采樣頻率為50 Hz）和土壤硬度計（型號：TYD-1，杭州托普儀器有限公司）。試驗時間：2014年12月底。試驗地為廣西武鳴縣某木薯種植地(中國最大的木薯種植基地)，土質為紅黏土，土壤硬度平均值為4.84 kg/cm2。木薯品種：華南205（收獲期）。木薯塊根拔起力測試系統如圖7所示，試驗現場如圖8所示。田間試驗時共隨機選擇134棵木薯（共計1 344個塊根）進行拔起試驗。田間木薯拔起的最大拔起力F和塊根拔斷率η的試驗結果統計表如表3所示。由表3和試驗中木薯塊根拔起過程的觀察可知，當最大拔起力小于0.98 kN時，雖然在被拔起的木薯塊根中還存在少量塊根由于直徑過小，長度過長，而被拔斷，但塊根拔斷率較小，為2.5%，表明以0.98 kN作為塊根允許最大拔起力[F]合理，且在設計木薯塊根拔起機構控制系統時，應控制拔起速度，使塊根拔起力小于塊根允許最大拔起力[F]，使塊根拔斷收獲損失減少。

圖8 田間試驗現場圖Fig.8 Test on field

表3 最大拔起力和塊根拔斷率統計表Table 3 Statistical list of maximum lifting force and breaking rate of tuber

4 結論

1）建立的最大應力與拔起速度、塊根生長深度、塊根長度、最大截面邊長和土壤彈性模量的數學模型精度較高，可用于最大應力的影響規律分析，且拔起速度、塊根生長深度、塊根長度、塊根直徑和土壤硬度對最大應力有大的影響。

2）最大應力隨拔起速度的增大呈先增大，后減小的變化，而隨生長深度、塊根長度和土壤硬度的增大而增大，隨塊根直徑的增大而減小。

3）拔起速度x1為0．3與塊根深度x2和塊根長度x3為0．1及塊根深度x2為0.2與塊根長度x3為0.1和最大截面邊長x4為0.06組合時，因素交互作用下的塊根最大應力σ分別獲得相應的最小值，而x1為0.3與x2為0.2和x3為0.4及x2為0.2與x3為0.4和x4為0.03組合時，σ分別獲得相應的最大值。

4）最大應力和最大拔起力相關性不強，塊根允許最大拔起力約為0.98 kN。在設計木薯塊根拔起機構控制系統時，應控制塊根拔起速度，使塊根拔起力小于塊根允許最大拔起力，減小塊根拔斷收獲損失。

[1]Agbetoye L A S.Developments in cassava harvesting mechanization [J].West Indian Journal of Engineering,1999,22(1):11-19.

[2]Strengthening the competitiveness and eco-efficiency of SMEs in Thailand:market assessment of mechanization potential for cassava production.Bangkok:AgriSource Co.Ltd,007.

[3]Liao yulan,Sun Youpan,Liu shihao,et al.Development and prototype trial of digging-pulling style cassava harvester[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering（Transactions of the CSAE）,2012,28(Suppl.2):29-35.

[4]Agbetoye L A S,Dyson J,Kilgour J.Prediction of the lifting forces for cassava harvesting[J].Journal of Agricultural Engineering Research,2000,75(1):39-48.

[5] 楊望，蔡敢為，楊堅，等.木薯塊根拔起力的力學模型和數學模型分析[J].農業工程學報，2011，27(11)：95－100. Yang Wang,Cai Ganwei,Yang Jian,et al.Mechanical and mathematical model analysis of uprooted force on cassava storage root[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering（Transactions of the CSAE）,2011,27(11):95－100. (in Chinese with English abstract)

[6]Yang Wang,Li Juanjuan,Yang Jian,et al.Numerical simulation of an experienced farmer lifting tubers of cassava for designing a bionic harvester[J].CMES:Computer Modeling in Engineering and Sciences,2015,104(6):471-491.

[7] 李娟娟.木薯收獲機械拔起速度模型的優化研究[D].南寧：廣西大學，2013. Li Juanjuan.The Optimization Study of the Cassava Harvest MachineryUprootedVelocityModel[D].Nanning:GuangxiUniversity, 2013.

[8] 鐘江，蔣建東，姜濤.基于光滑粒子流體動力學仿真的板結土壤深旋耕技術[J].機械工程學報，2010，46(19)：63-69. Zhong Jiang,Jiang Jiandong,Jiang Tao.Deep-tillage rotavator technology based on smoothed particle hydrodynamics simulation[J].Journal of Mechanical Engineering,2010,46(19): 63-69.(in Chinese with English abstract)

[9]Lewis B A.Manual for LS-DYNA soil material model 147[R]. Department of Transportation:Federal Highway Administration, 2004.

[10]丁峻宏，金先龍，郭毅之，等.土壤切削大變形的三維數值仿真[J].農業機械學報，2007，38(4)：118－121. Ding Junhong,Jin Xianlong,Guo Yizhi,et al.Study on 3-D umerical simulation for soil cutting with large deformation[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural,Machinery, 2007,38(4):118－121.(in Chinese with English abstract)

[11]頓國強，陳海濤，李昂，等.刀齒排布旋向對免耕覆秸精播機清秸單體性能的影響[J].農業工程學報，2015，31(12)：48－56. Dun Guoqiang,Chen Haitao,Li Ang,et al.Effect of rotation direction of knife teeth configuration on clearing straw unit performance for no-tillage and straw mulching precision seeder [J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE),2015,31(12):48－56.(in Chinese with English abstract)

[12]齊龍，梁仲維，馬旭，等.耙壓式除草輪與水田土壤作用的流固耦合仿真分析及驗證[J].農業工程學報，2015，31(5)：29－37. Qi Long,Liang Zhongwei,Ma Xu,et al.Validation and analysis of fluid-structure interaction between rotary harrow weeding roll and paddy soil[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2015,31 (5):29－37.(in Chinese with English abstract)

[13]楊望，楊堅，賈豐云，等.種植于紅粘土的木薯塊根挖掘作業數值模擬[J].機械工程學報，2013，49（9）：135-143. Yang Wang,Yang Jian,Jia Fengyun,et al.Numerical simulation of digging operation of cassava root planted in red clay[J]. Journal of Mechanical Engineering,2013,49(9):135-143.(in Chinese with English abstract)

[14]楊望，楊堅，鄭曉婷，等.木薯力學特性測試[J].農業工程學報，2011，27(增刊2)：50-54. Yang Wang,Yang Jian,Zheng Xiaoting,et al.Experiment on mechanical properties of cassava[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering（Transactions of the CSAE）, 2011,27(Suppl.2):50-54.(in Chinese with English abstract)

[15]楊望，蔡敢為，楊堅.土壤直剪試驗的動力學仿真[J].農業機械學報，2011，42(7)：96－101. Yang Wang,Cai Ganwei,Yang Jian.Dynamics simulation of direct shear test[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2011,42(7):96－101.(in Chinese with English abstract)

Numerical simulation test of maximum stress of tuber in cassava lifting

Yang Wang,Li Xiaoyue,Wang Rongrong,Yang Jian※,Pan Qin,Li Juanjuan
(College of Mechanical Engineering,Guangxi University,Nanning 530004,China)

In order to discover the influence law of maximum stress of cassava tuber,and obtain the allowable maximum lifting force without the breakage of cassava tuber during cassava tuber lifting,the numerical simulation model of soil, cassava tuber and cassava stem system was established by adopting explicit dynamics simulation software LS-DYNA.In the numerical simulation model,large deformations and fractures of the soils close to the tubers occurred and small deformations occurred in most parts of the rest.Thus,the coupling method of FEM(finite element method)and SPH (smoothed particle hydrodynamics)was applied in the numerical simulation model.The SPH method was used in inner soil layer where large deformations occurred and the FEM method was used in the outer soil layer where small deformations occurred.The coupling between the inner and outer soil was realized by“nodes-surface”in LS-DYNA.And MAT_FHWA_SOIL was selected as soil material model in the numerical simulation model,because it takes account of the influence of moisture content,strain softening,strain rate effect,void ratio,and pore-water pressure,and obeys the modified Mohr-Coulomb yield criterion.Numerical simulation tests of cassava tuber lifting were carried out by using the numerical simulation model and the quadratic regression rotation design method.There were 5 experiment factors and 2 experiment indices in the quadratic regression rotation design tests.The experiment factors were the lifting velocity,the length, dimension and growth depth of the tuber and the soil hardness,respectively.The experiment indices were the maximum lifting force and the maximum stress of tuber which were measured under different factor combination conditions.According to the numerical simulation tests results,the multi-factor coupling mathematic models between the maximum stress of the tuber and the lifting velocity,the length,dimension and growth depth of the tuber and the soil hardness were established by using statistical software SPSS.Based on the coupling mathematic models,the different influencing factors and their interactions on the maximum stress of the tuber were investigated,the relationship curves were drawn by using mathematics software MathCAD,and the corresponding influence laws were obtained by the relationship curves.And based on the numerical simulation tests results,the scatter diagram of the maximum lifting force and the maximum stress of tuber was plotted by using mathematics software MathCAD,and the correlation between them was studied by the scatter diagram. According to the scatter diagram,the allowable maximum lifting force was obtained under which there was no breakage of tuber.Moreover,the allowable maximum lifting force under which there was no breakage of tuber was verified by cassava tuber lifting tests,which were carried out in the cassava planting field in Wuming County,Guangxi Zhuang Autonomous Region in the end of December 2014 by adopting the method of random sampling.Meanwhile,the maximum lifting force and the breakage rate of tuber were analyzed by statistical method.When the allowable maximum lifting force was less than 0.98 kN,the breakage rate of tuber was 2.5%.The result showed that the multi-factor coupling mathematic models between the maximum stress of the tuber and the lifting velocity,the dimension and growing depth of the tuber and the soil hardness had high precision,because the F test of the multi-factor coupling mathematic models was significant at 0.000 1 level.The multi-factor coupling mathematic models could be used in the effect analysis of the maximum stress of tuber.With the increasing of lifting velocity,the maximum stress of tuber increased at first and then decreased.With the increasing of growing depth,tuber length and soil hardness,the maximum stress of tuber increased.But the maximum stress of tuber decreased when tuber′s diameter increased.There was little correlation between the maximum stress of tuber and the allowable maximum lifting force.The allowable maximum lifting force was 0.98 kN.

agricultural machinery;models;cassava tuber;numerical simulation test;mathematics model;maximum stress; allowable maximum lifting force

10.11975/j.issn.1002-6819.2016.06.008

S225.7+1

A

1002-6819（2016）-06-0058-07

2015-10-09

2016-01-27

國家自然科學基金項目（51365005）；國家自然科學基金項目（51065003）；廣西制造系統與制造技術重點實驗室課題（13－051－09S01）；廣西研究生教育創新計劃資助項目（YCSZ2015040）

楊 望，男，廣西合浦人，副教授，博士，碩士生導師，主要從事木薯和甘蔗收獲機械設計基礎理論研究。南寧 廣西大學機械工程學院，530004。Email：yanghope@163.com

※通信作者：楊 堅，男，廣西合浦人，教授，主要從事農業機械設計及性能優化研究。南寧 廣西大學機械工程學院，530004。

Email：yangokok@gxu.edu.cn

中國農業工程學會高級會員：楊 望（E041200798S）