基于亚塑性本构模型的土壤-触土部件SPH互作模型

触土部件是农机的主要组成部分,高精度的土壤-触土部件互作模型对农业耕作触土部件的节能优化设计具有重大意义。为提高土壤切削过程数值模拟的精确度,该研究基于光滑粒子流体动力学（Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH）框架,从土壤亚塑性本构模型出发,结合土壤-触土部件接触模型,提出一种土壤-触土部件互作模型。通过砂土坍塌试验和土壤切削试验,对比分析了模拟仿真和物理试验中砂土自由表面演变、内部应力变化、土壤静止和运动分界面形态以及粒子位移。在此基础上对4种不同形状刀具的土壤切削过程进行模拟,以土壤切应力、位移分布表征刀具在切削过程中对土壤的破坏情况,讨论了大半径抛物线型刀具切削过程中的土壤粒子速度场,并得出不同形状刀具切削阻力的变化规律。结果表明,刀具水平切削阻力的模拟值和试验值平均相对误差为9.885%,说明所提模型对刀具水平切削阻力的预测精度较高。研究结果可为土壤-触土部件互作模型的建立提供新的思路,为触土部件的优化设计提供参考。     

采用SPH方法的黏土切削特性分析

黏土在切削破坏过程中力学特性复杂。为较精确地描述黏土切削破坏过程与预估切削阻力，该研究基于弹塑性力学本构，建立了光滑粒子流体动力学（SPH）框架下的黏土剪切破坏模型和Grady-Kipp张拉损伤破坏模型，并进一步将其耦合得到混合破坏模型。为验证该混合破坏模型开展了简单的黏土切削破坏试验，切削破坏变形的试验结果与模拟结果展示了良好的一致性，裂纹发展方向和裂纹形状有着良好的对应关系。在土-切削部件互作模型的基础上，进一步预测了黏土切削破坏过程中切削部件的切削阻力演化过程，并分析了切削深度及切削部件摩擦系数对黏土切削破坏形态和切削阻力的影响。结果表明，切削深度为0.01、0.02和0.03 m时对应的切削阻力峰值分别为7.89、9.90和11.07 N，切削阻力随切削深度的增加呈增大趋势。切削部件摩擦系数为0.1时对应的波动平缓后的切削阻力最小，为6.1 N。研究可为优化农业机械刀具的结构参数、运动参数，降低作业功耗，减少切削阻力，实现更好的黏土耕作效果提供参考。