第 1 章 文献综述
1.1 耕作力学基础
土壤是人类赖以生存的物质基础，并为动物、植物和微生物提供适宜的生长发育环境。耕作是改善土壤结构、保持土壤肥力和促进土壤可持续利用的重要途径之一[1, 2]。耕作中的土壤力学（即耕作力学）研究耕作部件和土壤间的相互作用过程中的力学行为，以获得耕作质量、阻力和能耗等的评价。现代土壤耕作力学试图从机理上研究耕作过程中的土壤力学性能问题，并对其进行定量的描述，意在于解决传统土壤耕作力学难以解决的问题，并对耕作机械的结构设计、耕作效果、以及能量消耗等方面做出指导。自上世纪 20 年代以来，许多学者对耕作力学开展了一系列的理论、实验和数值研究，促进了耕作力学研究领域的持续发展[3-10]。目前国内外对于耕作力学的研究大多是基于工程土力学研究的理论和方法。土力学的发展可以追溯到 18 世纪后期。1773 年法国物理学家库仑（Charles-AugustindeCoulomb）首次提出主动土压力和被动土压力的概念（即库仑土压理论）和土的抗剪强度准则（即库仑定律），被认为是古典土力学的基础，并广泛应用于计算结构工程中的应力应变分布[11-14]。1925 年奥地利土力学家太沙基（KarlTerzaghi）研究了外压力下黏土压实率的问题，提出了有效应力原理的基本概念，并出版了第一本《土力学》专著，标志着土力学学科的形成[15]。由于土壤性状的复杂性，在外载荷作用下，其应力应变关系通常具有弹塑性、粘性、非线性以及各向异性等性状[16, 17]。为了比较准确地描述土壤的力学性质，需建立与不同土壤类型相适应的土壤模型，并通过压缩试验或田间贯入试验等得到土壤相关参数，用于土壤力学性能分析。实际的土壤应力应变关系具有高度非线性，通过土壤的本构关系模型来描述这种非线性关系。基于土壤的本构关系模型，使利用数值方法研究土壤力学成为可能。随着计算机技术的进步以及算法的改进，目前越来越多的学者采用数值方法研究耕作力学。
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1.2 土壤深松技术及深松机具研究现状
土壤深松技术是农业保护性耕作四项技术之一[51]，是农业生产和土地改革过程中的一项关键的应用技术。土壤深松技术是在不翻土的情况下，通过深松机具对松碎耕作层以下 5-15cm 的犁底层，改善土壤的固、液、气三相比，从而形成虚实并存的耕作层结构[52]。该方法不会破坏耕层植被和土壤的团粒结构，动土量较小，从而降低了作业能耗，节省了作业成本[53]。此外，作业前后的耕层土壤并无大变化，减少了耕层土壤的水分蒸发，同时能够保持土壤层次及自我修复能力，有利于土壤中有机物的积累，既降低了土壤的侵蚀现象，又保持了表土的营养成分[54]。通过土壤深松可以打破由于长期浅耕形成的坚硬的土壤犁底层，改善土壤的通透性，增加耕层深度，提高土壤蓄水能力，减少水土流失[55,56]。同时，土壤深松有利于改善根系作物生长环境，大幅提供根系作物产量，是一项重要的增产技术[57-59]。因此，在大部分因严重缺水或耕作不当导致的耕层土壤板结、犁底层加厚以及土壤蓄水能力差等问题的农田实施土壤深松，对促进和推动农业生产可持续发展有着重大的意义[60]。图 1-4（a）为凿形深松铲，其宽度与铲柄厚度相近，与其他两种铲尖相比，凿形深松铲结构较为简单，易于加工，且在耕作过程中所受的阻力较小，强度较高。研究表明，在相同环境条件下，凿形深松铲对农田深松后，在打破犁底层、改善土壤蓄水量以及降低土壤坚实度等方面的综合效果比其他两种铲尖好[61]。图 1-4（b）为箭形（鸭掌形）深松铲，其宽度比凿形深松铲略宽。由于其类似剪头的形状设计，使得作业时能较容易地切断植物根系，受到的耕作阻力较小，主要应用于行间深松，深松效果较好。但相对于凿形深松铲，箭形深松铲的生产难度较高，使用材料也较多[62]。
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第 2 章 绪论
2.1 研究背景及意义
重庆市地处我国四川盆地东部，地形以丘陵、山地为主，占全市总面积的 94%。目前全市主要使用微耕机进行耕作，然而微耕机大部分的实际耕深仅有 10-15cm，长期浅耕造成犁底层加厚、土壤板结、土壤通透性差等问题，严重影响了作物的根系发育以及土壤的蓄水保墒能力，极大地限制了当地农业生产水平的发展，从而出现“力没少出、肥没少施、钱没少花、粮没多打”的怪现象。针对重庆市的农田耕作现状，急需对土壤进行深松作业。土壤深松技术是农业保护性耕作四项技术之一，是农业生产和土地改革过程中的一项关键的应用技术。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，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。目前深松作业面临的主要问题是作业时的耕作阻力较大，大量研究表明，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，需要对深松铲作业时的运动过程以及耕作阻力进行研究。目前国内的深松作业主要集中在北方平原地区，对于相关的深松技术和深松铲的研究也较多，而针对南方地区的研究较少，因此，鉴于丘陵山地对土壤深松的迫切需求，研究出一种适合于南方深松耕作的深松铲是十分必要的。本文将在现有深松铲研究的基础上，采用 ANSYS 中的 LS-DYNA 模块对深松铲进行切土动力学仿真，分析深松铲在耕作过程中的力学行为和运动学特征。此外，针对重庆市的土壤特性展开深松铲切土动力学仿真试验，从而对深松铲的关键结构参数进行优化，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。
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2.2 研究内容
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，并对三种土壤分别进行了坚实度测量，所测得的各类土壤参数为深松铲切土动力学仿真提供土壤模型参数。通过三维造型软件 Creo 3.0 对深松铲进行三维实体建模，并基于 SPH 法采用ANSYS 中的 LS-DYNA 模块对深松铲进行切土动力学仿真分析，研究在耕作过程中深松铲的耕作阻力、土壤变形和应力应变等情况，并将仿真结果与试验数据对比，验证动力学仿真的可行性。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，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，通过深松铲切土动力学仿真，以耕作阻力为评价指标，分析三个因子对深松铲耕作阻力的影响，并寻求耕作阻力最小的最优结构组合。
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第 3 章 重庆市土壤力学特性研究..........13
3.1 重庆市土壤类型简介..........13
3.1.1 重庆土壤分布概述..........13
3.1.2 三种典型土壤简介...........14
3.2 重庆市典型土壤的基本性质研究......16
3.2.1 土壤性质检测正交试验材料和方法 .......16
3.2.2 正交试验数据处理及结果分析 .......23
3.2.3 正交试验误差分析与验证.......25
3.2.4 土壤坚实度测定.......26
3.3 本章小结......29
第 4 章 深松铲模型建立及切土动力学仿真分析 ..........31
4.1 深松铲工作受力的理论分析......31
4.2 深松铲的选取......34
4.3 深松铲模型的建立......36
4.4 深松铲切土动力学仿真......37
4.5 基于重庆市土壤特性的深松铲切土动力学仿真......5
4.6 本章小结......54
第 5 章 深松铲结构参数优化..........55
5.1 深松铲耕作阻力虚拟正交试验..........55
5.2 深松铲优化效果仿真验证..........58
5.3 深松铲有限元静力学分析..........60
5.4 本章小结......64
第 5 章 深松铲结构参数优化
通过比较第 4 章深松铲切土动力学仿真得出的两组耕作阻力可以看出，基于重庆市紫色土参数仿真获得的耕作阻力大于使用张金波等人试验土壤参数仿真获得的耕作阻力。因此，针对重庆市土壤的力学特性，为了减少耕作时深松铲的耕作阻力，需要对深松铲的结构参数进行一定的优化。本章拟采用虚拟正交试验的方法，通过深松铲切土动力学仿真，以耕作阻力为评价指标，分析深松铲的几个关键结构参数对深松铲耕作阻力的影响，并获得所选因子水平下的深松铲最优结构。此外，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，验证正交试验的结论。对试验获得的最优结构的深松铲进行有限元静力学分析，研究其在静力学条件下的变形、应力以及弹性应变情况。
5.1 深松铲耕作阻力虚拟正交试验
深松铲的运动学参数和结构参数是影响深松铲耕作阻力的主要因素。其中，运动参数主要包括耕作深度和前进速度，均会对深松铲的耕作阻力产生显著影响，本章不再做讨论。为了满足深松作业的要求，在仿真时将耕作速度统一设定为 1m/s（拖拉机 2 档速度），耕作深度设定为 300mm。深松铲的结构参数主要包括深松铲破土刃口的曲线形状、纵深比 L/D、入土角α 以及破土刃口夹角。其中，对于深松铲破土刃口的曲线形状，由文献[87]可知，本研究所选用的仿生减阻深松铲采用小家鼠的爪趾轮廓曲线优化破土刃口的曲线，能够有效的降低深松铲的耕作阻力。因此，本研究选择深松铲的纵深比 L/D、入土角 α 以及破土刃口夹角三个结构参数作为因子，研究其对深松铲耕作阻力的影响及变化规律。深松铲的纵深比 L/D 是在作业深度范围内深松铲的最大纵向弯曲水平长度 L与耕作深度 D 的比值。大量研究表明，深松铲的纵深比 L/D 在 0.68~1.04 之间时，深松铲的耕作阻力较小，并且在这一范围内存在一个最优值使得深松铲的耕作阻力最小[88, 108-110]。因此，本研究对纵深比选取三个水平，分别为 0.7、0.8、0.9。深松铲的入土角 α 是深松铲入土时铲尖部分与土壤平面的夹角，α 角过大或过小都会严重影响深松铲的入土能力、耕作阻力、能耗以及深松效果等指标[74]。对于不同的土壤类型，适合的 α 角度也不同。针对重庆市的土壤特性，紫色土属于砂土壤类型，其最小阻力的入土角 α 为 20o~30o[85]。从对现有深松铲的研究和实际应用效果来看，为减小深松铲的耕作阻力并保证深松效果，入土角 α 一般设定在 18o~28o之间[111-114]。因此，本研究对深松铲的入土角 α 选取三个水平，分别为 23o、25°、27°。破土刃口夹角是深松铲破土刃口段的楔形角度，对于深松铲的耕作阻力以及深松宽度等都有着重要的影响。因此，本研究对深松铲的破土刃口夹角选取三个水平，分别为 55o、60°、65°。
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结论
本研究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进行了数值模拟分析，此外，通过虚拟正交试验对深松铲的关键结构参数进行了优化，并对优化结果进行了静力学条件下的强度检验。得到的主要研究结论如下：
（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，对于某种耕层土壤的基本物理、力学性质，可以通过多组采样求其平均值获得。
（2）通过三维造型软件 Creo3.0 建立了深松铲的三维实体模型，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，研究了深松铲工作过程中的运动状况、土壤的应力应变分布以及深松铲的耕作阻力等情况。研究发现，深松铲在工作过程中，土壤的最大等效应变和最大等效应力均发生在深松铲铲尖刀面上的 SPH 粒子处，说明铲尖部分的土壤流速较快，受到的载荷较大，因此铲尖容易发生磨损，与实际情况相符。将仿真得到的深松铲稳定工作时的平均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%，验证了通过深松铲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，验证了试验测得的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，从而对重庆市深松作业的耕作阻力进行有效预测。
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。正交表计算得到的因子主次为 A>B>C，并分析了耕作阻力随各因子的变化规律：深松铲的耕作阻力随着纵深比增大而增大；破土刃口夹角在 55o~60°区间时，随着角度增大，耕作阻力增大较快，在 60o~65o的区间，耕作阻力随角度增大而增大的趋势变缓；耕作阻力随着入土角的增大而减小。通过正交试验获得了所选因子水平下的深松铲最优结构组合 A1B1C3，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。
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参考文献（略）