基于FEM-SPH的果园开沟刀具仿真与试验

本文采用FEM-SPH数值耦合方法建立了开沟刀具切削土壤的仿真模型,运用该模型对刀具的开沟过程进行了仿真,得到平均功耗为2.080 kW。采用转速-扭矩测量平台在相同条件下对开沟刀具的开沟过程进行试验,得到实际功耗为2.172 kW,与数值模拟结果的相对误差为4.42%,验证了该仿真模型的准确性,为开沟刀具的优化提供了依据。     

葡萄深施有机肥开沟装置设计及仿真

针对葡萄种植施肥过程中开沟作业功耗大的问题,根据新疆葡萄种植地土壤特性及葡萄种植模式,设计了一种适用于葡萄深施有机肥的开沟装置,主要由机架、刀盘总成及导流罩等组成。其中,开沟刀具依次间隔螺旋排列,刀具2把为1组,共7组14把。在完成开沟装置设计与土壤参数测定的基础上,利用离散元仿真软件建立了土壤颗粒模型及土壤-开沟装置交互模型,仿真分析了前进速度、刀盘转速及刀具组合对开沟作业功耗的影响。结果表明:前进速度、刀具组合、刀盘转速与刀具组合交互作用对开沟作业功耗影响显著。确定的最优参数组合为:前进速度801m/h,刀盘转速111r/min;刀盘组合为:刀A切土角150°、弯折角60°、工作幅宽133mm,刀B切土角180°、弯折角90°、工作幅宽166mm。此时,开沟作业功耗为17k W。     

开沟器工作阻力的离散元法仿真分析

建立了芯铧式开沟器和播种施肥开沟器与土壤颗粒的二维离散元法分析模型,采用离散元法研究开沟器的工作过程及工作阻力,通过改变开沟器的CAD模型和土壤颗粒参数,分析不同条件下开沟器的工作阻力.在室内土槽进行了2种开沟器的工作阻力测试,并将测试结果与开沟器工作阻力的离散元法计算结果进行了比较,两者的变化趋势基本一致,相对误差在10%～20%之间,由此初步证明了采用离散元法分析开沟器工作过程和工作阻力的可行性,为开沟器的研究和优化设计提供了一种新方法.     

筑埂机旋耕切削部件的优化设计与疲劳寿命研究

针对我国现有筑埂机械存在功耗较大、机具磨损严重、土壤破碎不充分和筑埂不坚实等问题,设计一款新型旋耕切削装置,该装置由旋耕弯刀、抛土弯刀、L型弯刀以及刀轴等部件组成。运用离散元法构建刀具与土壤接触的力学模型,探究不同刀具的结构参数对其工作性能的影响。结果表明旋耕弯刀弯折角为125°,幅宽为60 mm,正切面端面刀高为55 mm,侧切刃包角为27°时,刀具功耗相对较低,而且碎土效果较好;抛土弯刀的弯折角为120°,幅宽为80 mm时,刀具的功耗及碎土效果较好;从材料损耗的角度考虑,L型弯刀幅宽为40 mm时刀具所用的材料最小。最后,对旋耕弯刀的疲劳寿命进行分析,为延长刀具的使用寿命提供理论依据。     

基于FEM和正交试验的茶园修剪机刀片的优化

修剪是茶树等经济类树木种植综合管理中的重要环节,切口质量的好坏对其产量和质量具有直接的影响。为降低修剪过程中刀片的剪切阻力、提高切口质量,采用FEM数值方法和APN1211E-U功率分析仪进行了茶树枝修剪的仿真与试验,仿真峰值功耗与试验峰值功耗误差为5.7%,验证了茶树枝修剪仿真模型的准确性。运用该仿真模型对刀片间隙γ、切割速度υ进行了虚拟正交试验,并建立了该参数与峰值阻力的数学模型,得出在刀片间隙γ为0.01mm、剪切速度υ为1.414 7m/s、修剪直径为3.5mm时,茶树枝峰值阻力最小为5.160 7N,为茶园修剪机刀具的设计和优化提供了方法和思路。     

基于离散元法芯铧式开沟器的试验研究

开沟器的工作过程是工作部件与土壤颗粒间的运动状态,离散元法既能真实地表达土壤颗粒的几何特征,又适合开沟器的试验研究。利用土壤三轴仪、直剪仪等设备测定耕层土壤颗粒的物理力学性能参数,建立耕层土壤颗粒的离散元三维模型。通过离散元软件对芯铧式开沟器进行仿真模拟,并借助玻璃土槽和高速摄像技术对离散元仿真模型进行修正。试验与离散元仿真结果对比表明,两者具有较好的相关性且规律一致。同时,验证仿真模型参数选取的正确性,并为开沟器的研究和优化设计提供一种有效的方法。     

新型无叶粉垄刀具仿真设计研究

针对粉垄刀具作业功耗和切削阻力大及耕后表层土块大的问题,设计了一种新型无叶(螺旋叶片)刀具,采用SPH法建立3种线型新无叶刀具作业系统仿真模型,进行作业性能对比分析,优选一种线型新刀具,并与原刀具进行对比,且对优选新型无叶刀具作业过程进行分析。研究结果表明：与原粉垄刀具相比,新刀具功耗减少了8.4%,表层土壤破碎度减小了43.3%;新刀具作业后土壤表层破碎度较高,主要是由于新刀具耙齿切出细长条的土块后,土块可受到上层外部刀片和相邻刀具的上层外部刀片交错切削;刀具的切削阻力受外部刀片数量和分布、耙齿的宽度及底刀的结构等因素影响较大。研究结果可为粉垄刀具减阻优化提供理论依据。     

林地开沟机刀具优化设计与试验

针对林地开沟条件恶劣、开沟困难的情形,设计一种开沟刀,对设计的开沟刀进行切削土壤研究与参数优化。利用LS-DYNA建立开沟刀—土壤切削有限元模型,得到开沟刀土壤切削过程等效应力、切削阻力以及切削能耗的变化规律。以平均切削阻力为指标,建立正交仿真试验,探究刀片厚度、刃倾角和刀片切削速度对平均切削阻力的影响。正交仿真试验结果表明：平均切削阻力最小时的最优参数组合为刀片厚度6 mm,刃倾角45°,刀片切削速度2 m/s;各因素影响平均切削阻力的顺序为刀片切削速度>刀片厚度>刃倾角。对优化后的开沟刀进行静力学分析,刀具的强度与刚度满足要求。林地试验开沟刀切削阻力平均值为232.6 N,试验值与仿真值误差为7.1%,表明开沟刀—土壤切削模型可用于开沟刀参数优化。     

超大圆盘开沟机抛土特性的研究及参数选择

以Matlab和Simulink仿真功能为手段,对超大型圆盘开沟机小沟距逆旋开沟作业时刀具及土壤的运动轨迹、速度特性进行了仿真分析,直观研究了影响机具抛土性能的因素。结合对切削过程中土垡单元的受力分析,给出了提高刀具抛土和升土能力的方法以及选择机具工作参数所考虑的因素及取值,为此类机具的设计提供了一种新的方法。     

新型锐角开沟器的设计及数值模拟

针对锐角开沟器土壤扰动大的问题,根据旗鱼头部轮廓曲线设计了3种新型锐角开沟器(仿生旗鱼型、圆弧型和斜线型开沟器)。选择土壤含水率(12±1)%、2种开沟深度(30、90 mm),利用离散元法(DEM)对3种开沟器的工作阻力和土壤扰动进行仿真分析,并进行土槽试验。试验与仿真结果对比表明:各项误差值均在合理范围内,验证了EDEM软件模拟开沟器作业的可行性和准确性。最后选定在开沟深度60mm时,3种类型开沟器、3种土壤含水率为因素进行9种工况下的仿真分析。结果表明:在一定深度情况下,3种开沟器的工作阻力均随含水率的增加而增大;而在含水率变化的情况下,开沟器对土壤扰动(扰动宽度、回土深度)变化不明显。仿生旗鱼型开沟器所受工作阻力和对土壤扰动最小。通过离散元仿真和试验分析,为开沟器的设计提供一种可行的方法,并可为开沟器的设计与优化提供理论依据。     

基于多体动力学的圆盘式开沟机虚拟仿真与功耗测试

目前圆盘式开沟机功率消耗主要通过理论计算或样机试制后的田间试验等方法得出,测试结果受环境、设备精度影响较大,为此提出了利用虚拟测试平台评估圆盘式开沟机功率消耗的方法。首先建立圆盘式开沟机工作部件的ANSYS动力学模型,并进行边界约束条件和载荷设置,分别模拟圆盘式开沟机在开沟深度400 mm、前进速度0.8 km/h、刀盘转速180 r/min和开沟深度500 mm、前进速度1.5 km/h、刀盘转速220 r/min 2种工况下的功率消耗,仿真结果为31.26 kW和32.67 kW;然后构建相同工况的田间功耗测试系统,测得的实际功耗为33.57 kW和35.41 kW,仿真值与实测值相对误差分别为6.88%和7.73%,验证了该种测试方法的准确性和可行性。最后分别选取3种开沟深度、2种前进速度和3种刀盘转速因素组成18种开沟工况,对其进行仿真分析,结果表明:刀盘转速在200 r/min时,无论前进速度高低,圆盘式开沟机均具有最低的功耗。     

种薯水射流切口质量仿真分析与试验研究

为了获取最佳切割压力和移动速度,提高水射流种薯切块的切口质量,首先论述了水射流种薯切块和金属刀具切块的机理,分析切口拉伸及塑性流变以及切割裂纹对种薯损伤的影响;然后建立种薯、水射流离散元模型和金属刀具的实体模型;最后进行二因素三水平仿真试验,并比对水射流切块和金属刀具切块的效果。结果表明：水射流出口压力250MPa、移动速度0.5m/s时,切割效果最好;水切过程中,种薯切面受力远小于刀切过程,最大受力为刀切的1/4;种薯应力集中于切口处,种薯切块无明显受力情况;种薯块茎切口处粘结键断裂数目小于刀切过程,水切对马种薯切口损伤更小,切割质量更好。     

螺旋刀具土壤切削过程模拟分析——基于ANSYS/LS-DYNA971

根据立式螺旋开沟机的工作特点,在ANSYs中建立了螺旋刀具切削土壤的有限元模型,并运用显式动力分析程序LS-DYNA97l对螺旋刀具土壤过程进行了数值模拟分析,分析结果与实际工作情况吻合,得到了切削过程中土壤的等效应力分布情况.结果表明,土壤在切削时,主要受到刀具挤压和剪切破坏.当切削力升高到土壤破坏强度时,土壤迅速失效,为揭示土壤切削状态和开沟机优化设计提供了依据.     

多槽连续自动收获机设计及切割刀具优化

玉米果穗分配器是玉米收获机中剥皮机的重要组成部分,直接决定了玉米果穗的分配效果和剥皮胶辊的使用寿命。针对设施蔬菜收获劳动强度大和成本高等问题,结合目前我国设施蔬菜收获的机械化和全自动化程度低的现状,设计了一台多槽连续自动收获机,可实现设施蔬菜聚拢拔起、夹持输送、根茎切除全自动一体化收获。首先,阐述了设施蔬菜收获机整机结构设计及工作原理,根据成熟蔬菜的几何参数完成了关键机构的设计;然后,探索通过离散元的方法进行切割过程仿真试验与分析,搭建了刀具-蔬菜摩擦因数测试平台,对刀具与蔬菜根茎间的动、静摩擦因数进行测量,最终建立了离散元蔬菜切割模型。进行样机试验并结合正交试验方法对刀具的结构及运动参数进行优化,结果表明:切割刀具所对应的最佳结构及运动参数为双刀片距3mm、刀片转速800r/min、辅助固定刀片刀尖角度18°。     

型孔轮式排种器工作过程与性能仿真

由型孔轮式大豆排种器的三维CAD模型建立了其三维离散元法分析模型,采用球颗粒建立了大豆种子的分析模型,采用离散元法和自主研发的三维CAE软件对排种器的工作过程及性能进行了仿真分析,并与台架试验进行比较.结果表明,排种性能、投种角、种子运动轨迹与台架试验结果基本一致,证明了采用离散元法分析型孔轮式大豆排种器工作过程及其性能的可行性.     

条带式旋切后抛防堵装置设计与试验

针对我国华北平原一年两熟区玉米秸秆覆盖地小麦少免耕播种机易堵塞、动力防堵装置功耗大等问题,设计了一种条带式旋切后抛防堵装置。结合防堵装置工作原理,从秸秆流动、抛撒、防堵装置受力角度分析确定影响防堵性能和功耗的关键因素为:防堵装置与开沟器间距、旋切刀滑切角、刀轴转速;通过离散元模拟仿真与正交试验有限元仿真结合,以秸秆拥堵量和作业功耗为性能评价指标,对防堵单体和开沟器的组合装置进行参数优化,仿真结果表明,旋切刀滑切角为50°、刀轴转速为320 r/min、间距为100 mm时综合作业质量较优,防堵单体及开沟器功耗为2.8 k W,秸秆拥堵量为43根/dm,通过性能良好;对优选方案旋切刀进行有限元校核,其最大应力为1.387×108Pa,满足强度要求。在玉米秸秆覆盖地进行了小麦播种田间试验,结果表明,条带式旋切后抛防堵装置在3种秸秆覆盖量0.8、1.6、2.4 kg/m2和3种前进速度1、1.25、1.5 m/s作业条件下,通过性能均满足免耕施肥播种机国标要求,所设计旋切刀与传统旋耕刀相比,在通过性能基本一致的情况下,功耗减小13.83%,土壤扰动量减小37.5个百分点,沟深稳定性系数提高8.2个百分点。     

玉米播种机电液播深调节装置运动仿真与优化

针对玉米免耕播种机在起伏较大的地面工作时播种单体被架空、导致播种深度不合格的问题,设计了一种电液播深调节装置。该装置在平行四杆机构处加装了液压缸,用以调节播深。通过对电液播深调节装置进行受力分析,确定了影响液压缸受力的因素;在ADAMS软件中建立播深调节机构简化模型,采用有限元构件法建立土壤模型,对开沟铲入土过程进行仿真,并以液压缸受力值为目标函数对液压缸进行仿真优化。结果表明:开沟铲入土仿真过程符合实际入土情况,确定了液压缸的安装位置及上-下播深休止状态液压缸伸出量。该研究结果为设计智能播深控制免耕播种机提供了理论依据。     

基于离散元法的筑埂机旋耕切削性能研究

为提高水田筑埂机筑埂质量和工作效率,探究旋耕弯刀的结构参数和工作参数对筑埂机旋耕切削性能的影响,构建了旋耕弯刀—土壤的离散元模型,同时对旋耕弯刀工作时复杂的受力情况进行分析。以IT245旋耕刀为基础,设计了几种不同的旋耕刀片,分别以旋耕弯刀结构参数和工作参数为试验因素,单位幅宽扭矩和扭矩为试验指标,进行两组正交试验。通过极差分析,得到影响旋耕弯刀功耗的3种主要工作参数,并探究其对旋耕弯刀碎土效果的影响规律。综合分析得到旋耕弯刀参数最优组合为:正切面端面刀高60mm,侧切刃包角27°,弯折角120°,幅宽60 mm,工作转速300 r/min,前进速度0. 3 m/s,工作深度100 mm。该研究为探讨刀具与土壤相互作用机理、降低水田筑埂机作业能耗及提高碎土效率提供了参考。     

基于离散元的双轴旋耕机功耗预测模型

针对双轴旋耕机结构参数复杂、功耗高，受耕作时节限制，难以用田间试验的方法进行减阻降耗研究的问题。基于离散元法，构建双轴旋耕-秸秆-土壤耕作模型，研究了双轴配置参数对功耗的影响，通过响应面试验分析，建立了功耗的数学预测模型。模型优化的结果表明，当前后刀轴回转半径均为195mm，后轴相对于前轴垂直距离为99.8mm，前后轴回转圆水平距离为100.6mm，获得的功耗最小为9.018kW。为了验证功耗模型的准确性，在固定工作参数下，进行了原尺度整机仿真试验和田间试验。试验结果表明：真实原尺度旋耕机的田间试验功耗与整机仿真值误差均值为9.5%，范围为5.8%~13.4%，结合响应面分析说明功耗数学预测模型较为准确，表明旋耕机刀组在缩放过程中误差变化较小，模型能够准确反映双轴配置参数对双轴旋耕机在稻茬田地作业功耗的影响。     

玉米根系离散元模型建立及仿真参数标定研究

为研究秸秆饲料收获机工作时玉米根土复合体受力变化情况,利用离散元法建立了整根玉米根系颗粒粘结模型。根据玉米根系物理特性,选取Hertz-Mindlin with Bonding颗粒接触模型;为准确获取离散元仿真参数,采用根系剪切试验与离散元仿真相结合的方法,对离散元参数进行标定。以根系峰值剪切力为响应值,采用Design Expert软件依次设计Plackett-Burman试验、最陡爬坡试验与Box-Behnken试验,得到最优仿真参数,即颗粒间剪切模量为6.6MPa、粘结刚度为1.139×10⁶N/m³、极限应力为1.1885MPa。结果表明：仿真值与实际值相对误差为2.12%,仿真标定结果真实可信。最终,根据根系实际尺寸,采用颗粒快速填充方法建立整根玉米根系模型,旨在为后续秸秆饲料收获机械离散元仿真提供参考依据。