振动深松铲土壤切削有限元模拟分析——基于ANSYS/LS_DYNA

为了分析振动式深松机在耕作过程中深松铲与土壤之间的相互作用关系,首先研究了国内外采用有限元分析方法研究土壤切削问题的工作进展情况。为揭示振动深松减阻本质,借助ANSYS/LS-DYNA971软件,构建了深松铲和土壤的有限元仿真模型,并选用MAT_FHWA_SOIL和线弹材料分别作为土壤和深松铲的材料模型。将UG中的运动仿真数据作为深松铲载荷数据,通过Excel文件导入,对深松铲切削土壤的工作工程进行模拟,得出了深松铲切削土壤过程功耗的变化和深松铲在工作过程的等效应力(von Mises stress)情况,为深松铲结构参数的优化提供了依据。     

铲距对深松铲表面应力及其分布状态的影响

铲距是深松机的关键结构参数,其在深松过程中对深松铲表面应力的变化产生重要影响。本研究以箭形深松铲为对象,采用ANSYS软件,研究铲距对深松铲表面应力及其分布状态的影响。结果表明:(1)当载荷相同时,深松铲受到的平均应力随铲距的增大呈先增大后减小的趋势,铲距对深松铲平均应变量的影响较小;降低深松耕作阻力的水平分力有利于减小深松铲的表面应力,延长深松铲的使用寿命;(2)相对于300mm与500mm铲距,当铲距为400mm时深松铲的表面应力分布较为均匀,应力集中区域较少;(3)提高铲柄切土刃、铲尖与铲柄的接合处、螺栓安装孔的材料强度,有利于增加深松铲的使用寿命。本研究可以为提高深松铲使用寿命,优化深松机布局方式提供依据。     

气压劈裂式深松铲的土壤劈裂减阻机理及有限元分析

针对我国现有土壤深松机械存在深松阻力大、深松幅度小等问题,研制了一种工作阻力小、深松效率高的气压劈裂式深松铲。首先建立了土壤与铲面在有无气压劈裂的工况下的力学模型,并进行对比分析,研究气压劈裂减阻机理,推导出在气压劈裂下的牵引阻力计算公式;然后,为验证设计的可靠性,对深松铲整体结构进行静力学分析与动力学分析。结果表明:气压劈裂式深松铲能够有效减小深松阻力,深松铲的最大应力远小于所选材料的屈服应力,且固有频率可明显避开与机身结构的共振频率。     

基于狗獾爪趾的仿生深松铲结构设计与试验

针对现有深松铲存在的耕作阻力较大及能耗较高等问题,利用仿生学原理将狗獾爪趾的曲线应用到深松铲的结构设计中,设计了一种铲柄刃口为多项式曲线、铲尖为圆弧形的新型深松铲。为研究其耕作效果,将所设计的深松铲与国标深松铲进行了室内土槽对比试验。试验结果表明:在相同的深松试验条件下,仿生深松铲比国标深松铲的耕作阻力减小了13.33%~21.72%,仿生深松铲减阻效果明显;仿生铲柄与国标铲尖组合比国标深松铲耕作阻力减小了3.01%~7.61%,仿生铲尖与国标铲柄的组合比国标深松铲耕作阻力减小了7.67%~16.9 7%,仿生铲尖的减阻效果显著于仿生铲柄的减阻效果。     

复合形态深松铲耕作阻力有限元分析与试验

以复合形态深松铲为研究对象,采用ANSYS/LS-DYNA分析了深松铲在土壤耕作过程中耕深与前进速度对深松耕作阻力的影响,并以圆弧形深松铲为比较对象,分析了复合形态深松铲的减阻效果。为了验证有限元分析方法的可行性,对复合形态深松铲和圆弧形深松铲进行了室内土槽的耕作阻力验证试验。研究结果表明,通过有限元法模拟出的深松铲耕作阻力与室内土槽试验所测定的结果具有相同的变化趋势,利用有限元法可以分析深松铲的工作性能。在深松铲前进速度为4～5 km/h范围内,相对于圆弧形深松铲,用有限元法模拟复合形态深松铲的耕作阻力在耕深为300、350和400 mm时,平均减阻分别为44.07%、43.71%和33.83%。     

深松铲减阻性及耕作阻力影响因素研究——基于LS-DYNA

为研究不同触土曲面深松铲的减阻效果及不同工作参数对深松铲耕作阻力的影响,设计了5种典型准线的深松铲结构,并通过ANSYS/LS-DYNA软件对深松铲切削土壤过程进行了仿真,对比分析了不同结构深松铲切削土壤时所受到的阻力,选择出减阻性能最好的深松铲结构。以优选的深松铲作为研究对象,对入土角、工作速度及工作深度等因素进行单因素试验,研究上述因素对耕作阻力的影响。试验结果表明:仿生变曲率深松铲的减阻性能最好,其耕作阻力最小(601 N);入土角为24°时,深松铲耕作阻力最小;耕作阻力随工作速度和工作深度的增加而增大。该文可为深松铲结构的设计以及工作参数的选择提供一定的技术支持。     

前铲入土深度对分层深松土壤扰动的影响研究

分层深松采用前后铲分层作业,深松后土壤松碎,避免上、下土层土壤翻转。以分层深松铲为研究对象,采用数字化土槽试验方法,研究前铲的入土深度对分层深松土壤扰动的影响。结果表明:(1)随着前铲入土深度的增加,土壤坑形轮廓宽度随之增大;(2)前铲入土深度为150 mm时,分层深松的深松深度稳定性最高,且分层深松的深松深度稳定性均高于单铲深松;(3)分层深松的土壤蓬松度随着前铲入土深度的增加而增大,土壤扰动系数均大于单铲深松;(4)分层深松的土壤地表平整性优于单铲深松,土垄垄沟宽度大于单铲深松,而土垄高度低于单铲深松。本研究可以为前铲最佳入土深度的确定提供依据。     

前铲入土角对分层深松土壤扰动的影响研究

前铲入土角是分层深松机设计的关键参数之一。本文以分层深松铲为研究对象,采用数字化土槽试验方法,研究不同前铲入土角对分层深松土壤扰动的影响。结果表明:(1)随着前铲入土角度的增大,分层深松的土壤坑形轮廓宽度随之减小;单铲深松的土壤坑形轮廓宽度大于前铲入土角度不同的分层深松;(2)当前铲入土角为15°时,分层深松铲的深松深度最小,当前铲入土角为31°时,分层深松铲的深松深度稳定性最大;(3)当前铲入土角为15°时,分层深松的土壤蓬松度最大,分层深松的地表平整性最差;当前铲入土角为31°时,分层深松的地表平整性最好。本研究可以为分层深松机前铲入土角的确定提供决策依据。     

深松铲的模态试验与分析

为了研究深松铲的振动特性,采用模态试验的方法,对深松铲进行单点激励、多点拾振,应用信号分析软件进行深松铲的模态参数识别。同时,分析了深松铲的模态振型,绘制了振型图。分析结果表明：深松铲的第一阶模态表现为沿Z轴的摆动,第二阶模态表现为深松铲整体绕Y轴的扭转。深松铲柱的中部动刚度较小,属刚度薄弱区。由此,对深松铲柱和机体连接的部分进行了数字化改进,增加了铲柱的刚度。     

基于流体力学与离散元法的深松铲气动分析

针对深松作业目前存在的主要问题是耕作阻力大,导致会增加能耗及降低作业速率,且深松铲的结构参数和深松方式直接影响着深松作业的牵引阻力及作业质量等问题,探究了气动深松铲进气口压强与出气孔数量之间的关系和主要受力部分,以改进深松铲设计方案。本研究对气动深松铲的结构及工作原理进行分析,构建了深松铲的气动力学模型,并采用离散元法对气动深松铲的受力进行仿真试验。结果分析表明:气动深松铲的进气口压强与出气口数量呈近似线性正相关关系。研究所得数据对气动深松耕作系统的改进具有重要的意义。     

仿生偏柱式减阻深松铲设计及离散元仿真分析

过大的深松阻力是限制深松作业效果及深松机推广的重要原因之一,而深松阻力主要由深松铲引起,因而改进其结构、减小其作业阻力将有助于节能降耗及深松作业的推广。以善于挖掘的竹鼠及蚁狮幼虫为仿生对象,应用三维扫描仪对竹鼠爪趾及蚁狮幼虫进行结构获取,建立竹鼠爪趾及蚁狮幼虫背部的三维曲面。应用逆向工程原理提取优异的挖掘曲线,据此建立偏柱式深松铲三维模型。以深松深度、深松铲宽度及深松铲入土角为设计目标,设计出3种仿生偏柱式深松铲,并提出一种偏柱式深松铲铲柄的设计方法。应用EDEM软件对深松阻力进行模拟可知,深松铲铲柄及铲尖的仿生设计可有效减小其深松阻力,最大可减阻12.92%。仿生偏柱式深松铲设计将为深松铲结构优化提供新的设计思路。      

仿生减阻深松铲设计与试验

将小家鼠爪趾高效的土壤挖掘性能应用于深松铲减阻结构设计中,设计了铲柄破土刃口为指数函数曲线型减阻深松铲。为了对比耕作阻力,应用仿生减阻深松铲与传统深松铲进行了田间深松耕作试验。结果表明,耕深和前进速度对耕作阻力均有显著影响,且耕作阻力随着耕深和前进速度的增大而增大。在相同试验条件下,仿生减阻深松铲与传统深松铲相比,耕作阻力降低8.5%~39.5%,减阻效果明显。     

基于DEM-MBD耦合算法的自激振动深松机仿真分析

自激振动深松机的设计主要采用田间试验及理论分析方法，但田间试验成本高、周期长，同时理论分析尚不具备完整准确的解析解。为提高该类机具的设计效率，保证设计结果的准确性和可靠性，本文在课题组研制的Agri-DEM软件平台上，添加了离散元法（DEM）与多体动力学（MBD）耦合算法，然后利用该算法对自激振动深松单体作业过程进行仿真分析。耦合算法中，采用MBD方法建立了台车-深松机-悬挂架-土壤的系统动力学模型，包括7个活动刚体、1个滑移铰、7个转动铰、1个滑移驱动、1个弹簧力约束和1个阻尼约束，同时利用广义坐标分块算法将系统微分代数方程组转化为微分方程组，并通过亚当斯-莫尔顿校正算法进行积分，求解获得各刚体的运动学参数和动力学参数；采用DEM方法建立了耕作土壤的离散元模型，考虑土壤颗粒的黏附力，提出一种适合于土壤等湿颗粒间的接触力学模型——湿颗粒模型，模型参数通过试凑法确定。对模型进行深松铲的动力学响应分析、弹簧及牵引力动力学响应分析和土壤扰动过程分析，仿真结果表明：土槽台车前进速度为0.5m/s时，机具牵引力周期性变化的区间为-331.06~1492.75N，最大牵引力为1492.75N；深松铲的入土角周期性变化的区间为0~-0.11rad，在高度方向上铲柄质心的变化区间为-400.33~-581.37mm；激振弹簧受载也呈周期性变化，变化区间为2623~-2231N；深松铲铲尖部位抬升土壤，土壤颗粒扰动量在铲尖区域最大，并沿深松铲前进方向和侧向依次递减。仿真结果直观的呈现了自激振动深松机的作业过程及土壤颗粒的运动情况，定性的解释了自激振动深松机的减阻机理。本文添加的DEM-MBD耦合算法，为自激振动深松机工作过程分析和优化设计提供了一种新方法。     

深松深度对土壤扰动影响的仿真与试验研究

深松深度是深松作业的重要评价指标之一,可对土壤扰动产生重要影响。为此,以凿型深松铲为研究对象,综合使用离散元仿真和土槽试验方法,利用土壤坑形轮廓宽度、土壤垄形轮廓高度、土壤蓬松度、土壤扰动系数和地表平整度等评价指标,研究不同深松深度对土壤扰动的影响。结果表明:1土壤扰动轮廓截面曲线基本吻合,土壤坑形轮廓宽度和土壤垄形轮廓高度随深松深度的增加而增大;2土壤蓬松度随深松深度的增加逐渐减小,土壤扰动系数随深松深度的增加逐渐增大,且试验和仿真得到的结果一致;3地表平整度随着深松深度的增加而逐渐增大,且试验与仿真结果的趋势一致。本研究可以为深入理解深松土壤扰动过程提供决策依据。     

楔形自润滑深松铲的结构设计与减阻试验

深松是实施保护性耕作的基础,在实行保护性耕作的初期更是必不可少的作业环节,能够打破犁底层、降低土壤容重、改善耕层结构。实现深松的主要工具是深松铲,其品质决定了深松效果。针对深松铲在工作过程中耕作阻力较大的问题,设计出一种楔形自润滑深松铲,借助SolidWorks软件进行结构设计及仿真分析,并在实验室进行减阻试验。试验结果表明:在相同试验条件下,楔形自润滑深松铲与传统深松铲对比,耕作阻力降低14.60%~21.17%,减阻率的平均值为18.28%,减阻效果明显。     

气爆辅助式深松机设计与田间性能试验

为提高深松机作业质量,明确气爆技术在深松作业中的工作效果,设计了气压深松机,优化了深松铲结构,并进行作业效果田间试验。深松机应用气压控制系统将周期性高压气体通过导气管传送至深松铲出气口处,从而完成气压深松作业。以土壤扰动系数、膨松度与碎土率作为评价指标,进行松机作业质量田间试验,结果表明:气压深松机深松作业后,土壤膨松度为15.4%,土壤扰动系数为52.3%,地表以下10cm内碎土率达到54.6%,全耕层内碎土率可以达到66.2%,满足耕作要求。     

仿生几何结构表面深松铲铲尖设计与试验

深松铲在西南红壤坡耕地作业过程中,由于土壤黏附性强且板结严重,造成土壤过度扰动和耕作阻力过大的问题.采用工程仿生的技术方法,将具有减阻优异特性的克氏原螯虾和砂鱼蜥体表作为仿生原型,以深松铲铲尖为研究对象,设计仿生凸包、微刺—凸包、仿生鳞片、微刺—鳞片和微刺—凸包—鳞片混合表面5种仿生几何结构表面.通过室内土槽试验,考察...     

深松耕作土壤宏观扰动轮廓分析

设计制作了几种弯曲型深松部件 ,通过室内大型土槽耕作试验 ,测定了各种深松部件耕作以后土壤的宏观扰动轮廓和耕作阻力 ,对于土壤的宏观扰动轮廓给出了定量化的图形表达方式 ,并且分析了其与耕作阻力之间的关系     

预破土组合振动深松铲的设计与试验

为了避免在深松铲铲柄上开破土刃口而降低深松铲的强度,本文将破土刃口与铲柄分离开进行独立设计,形成内弧半径为150 mm的专有弧形破土器,承担对土壤的切割作用,减轻深松作业阻力。本文通过田间试验验证了预破土器对深松减阻的效果,确定了预破土器的最佳安装位置,试验结果表明,在振幅5 mm、振频10 Hz、前进速度1.44 km/h、耕深约为500 mm时,预破土组合深松铲比无破土器深松铲的耕作阻力减小12.46%~22.87%,平均减小18.48%,减阻效果明显。预破土器的安装位置需要根据深松深度的要求确定,在本试验的深松深度条件下,3号位置的减阻效果最好。此研究为研制结构简单、减阻高效的深松机具设备提供了理论依据。