基于离散元法的双翼深松铲耕作行为的仿真分析

分析双翼深松铲耕作行为是探究双翼深松铲耕作机理和优化深松效果的前提。本文采用离散元法建立了双翼深松铲的耕作模型,分析了深松过程中土壤扰动、土壤运动及双翼深松铲的受力情况。结果表明：在双翼深松铲的工作过程中,各层的扰动程度从大到小依次为耕作层、犁底层和心土层;双翼深松铲对土壤的扰动呈“扇形”分布,对土壤的扰动作用主要体现在土壤抬升、土壤的破碎和不同层土壤的混合等方面,犁底层与耕作层的混合程度大于犁底层与心土层;土壤颗粒最大运动速度下各方向数值从大到小依次为z方向、x方向、y方向;双翼深松铲在0.8 m/s耕作速度、300 mm工作深度的工况下,其土壤扰动系数为63.9%,土壤膨松度为11.1%,地表平整度为22.43 mm;双翼深松铲受到的阻力主要来源于土壤对深松铲前进的阻碍作用,双翼深松铲向上抬升土壤也受到了一定的阻力,土壤对双翼深松铲的侧面挤压作用力较小。     

深松参数对双翼深松铲耕作阻力影响的仿真分析

利用离散元建立了双翼深松铲的深松仿真模型,分析了深松参数对双翼深松铲耕作阻力的影响。结果表明,双翼深松铲对土壤的作用主要表现在前进过程中对土壤的切削和抬升2个方面;双翼深松铲主要阻力来源于土壤对其前进的阻碍作用,竖直方向上土壤对深松铲抬升作用的阻碍作用也是深松阻力的重要来源之一,双翼深松铲侧方向上的受力非常小;在深松速度0.4～1.2 m/s与深松深度220～300 mm时,深松速度和深松深度对双翼深松铲前进方向的受力均有较大的影响,随着深松深度和速度的不断增加,前进方向的阻力不断增大;深松深度对双翼深松铲竖直方向的受力有较大影响,竖直方向的受力随着深松深度的增加而变大,而深松速度对双翼深松铲竖直方向的受力基本没有影响。     

深松铲耕作土壤的建模与仿真分析

深松耕作是一种改善土壤结构、增产增收、实现农业科学发展的保护性耕作技术,目前深松铲还存在一定的优化改进空间。基于有限元/光滑粒子流体动力学(finite element/smoothed particle hydrodynamics,简称FE/SPH)利用ANSYS/LS-Prepost建立深松铲破坏土壤的仿真分析模型,并对仿真结果进行分析。结果表明,在深松过程中,土壤会受到较大的应力,但该应力会在短时间内变小;在正常的工作情况下,深松模型的动能是守恒的,外界牵引力提供的能量主要转化为土壤粒子的内能;深松过后,深松铲经过的位置土壤粒子密度大大降低,土壤变得松软。分析结果可为后续深松铲的优化设计提供理论依据。     

弧形深松铲工作过程和松土效果的离散元法仿真分析

采用离散元法仿真分析不同弧形深松铲在不同工作速度(0.5、0.8、1.0 m/s),不同深松深度(200、300、400 mm)条件下的的深松过程。以吉林长春地区的壤土作为研究对象,基于耕层与犁底层土壤的不同物理属性,分层建立土壤模型,分析犁底层土壤颗粒的破碎情况及深松铲的受力情况,同时将田间试验结果与仿真结果进行对比分析发现,二者基本一致。结果表明,后掠角为50°的弧形深松铲在深松过程中所受的阻力最小,土壤黏结颗粒被破坏的个数最多,犁底层土壤被翻转到耕层的土壤颗粒个数最少,使用性能最佳,可达到松土而不翻土的效果,提高土壤蓄水保墒的能力,初步证明,采用离散元法仿真分析深松铲工作过程和松土效果具有可行性。     

基于LS-DYNA的深松铲阻力仿真

为降低耕作阻力,揭示深松铲与土壤之间的关系特性,根据深松铲切削土壤的工作特点,利用LS-DYNA模拟分析深松铲切削土壤的过程,获得切削土壤的应力变化规律。结果表明,当深松铲以0.49 m/s的初速度切削、深松深度为250 mm时,单个深松铲的最大切削阻力为2 230 N,土壤在1.75 s发生崩裂,达到深松效果。通过试验测试,单个深松铲受力约为2 332.5 N,与仿真误差为4.5%,验证了仿真的合理性,仿真数据结果可以为实际深松过程提供参考。     

深松机具与耕作阻力

本文分析了影响深松机具牵引阻力的因素。深松作业的牵引阻力与作业速度的平方以及松土深度成正比。铲头形状影响切土、碎土阻力,铲柄形状影响土壤惯性阻力、土壤与铲柄的摩擦阻力及碎土阻力。在粘土地上,园孤形铲柄较前倾直线形铲柄的牵引阻力小,但在沙壤土中,则前倾45度的直线形铲柄较园孤形铲柄的牵引阻力小。因此,应根据土壤类型合理选用深松部件的形状以减小牵引阻力。     

苏打盐碱地深松铲阻力测量

针对东北苏打盐碱地土壤的理化性状,利用田间机械动力学参数遥测仪,选取深松深、作业速度、深松铲型为试验因素,以作业阻力为试验指标,利用Design Expert软件进行数据分析,测定3种深松铲在不同作业状态下的阻力。结果表明:各因素对作业阻力影响程度由大到小为深松深>作业速度>深松铲型,并且以深松深35 cm、作业速度0.83 m/s的凿式深松铲的作业阻力最小。     

深松耕作阻力的影响因素分析与减阻策略

【目的】识别深松耕作阻力的关键因素及其影响程度,为深松减阻技术与装备研究奠定基础。【方法】采用7因素3水平正交试验和单因变量方差分析方法,研究深松机铲形(箭形、凿形)、铲距(300,400,500mm)、入土角(18°,23°,28°)、土壤含水率(10%,15%,20%)、土壤坚实度(1 000,1 500,2 000kPa)、耕深(250,300,350mm)及牵引速度(2,3,4km/h)对深松耕作阻力的影响。【结果】铲形、铲距、入土角、土壤含水率、土壤坚实度、耕深、牵引速度的检验概率依次为0.613,0.057,0.056,0.495,0.013,0.001和0.797;不同因素对耕作阻力影响程度的排序为耕深土壤坚实度入土角铲距土壤含水率铲形牵引速度,且耕深、土壤坚实度、入土角、铲距对深松耕作阻力变化影响显著。【结论】为减小深松耕作阻力、提高耕作质量,建议在满足农艺要求的前提下,深松深度的确定应以"耕作层+犁底层"的厚度为主要依据;深松作业间隔年限的确定应将土壤坚实度作为重要评价指标;合理配置深松铲的入土角和铲距有助于减小深松作业阻力和提高作业质量。     

深松铲研究进展与分析

机械深松是保护性耕作的重要一环。深松铲是深松机具的首要部件。本文从阐述机械深松和深松铲入手,探讨了国内近年来深松铲的研究进展,对深松铲的减阻研究分结构形状减阻、表面状态减阻和综合减阻3个方面进行了细致的探讨,分析了深松铲的研究进展,并提出了研究建议。     

基于南方红壤耕地气压深松铲的设计与深松仿真分析

针对现有深松机在红壤耕地犁底层土壤深松阻力大、幅宽小、效率低等问题,设计一种基于气压劈裂的气压深松铲。采用CFD软件建立南方耕地红壤犁底层土壤的模型进行深松气压范围标定,并针对相同气压2 MPa下不同容重犁底层土壤的扩散特性进行研究。结果表明:红壤犁底层容重1.8g/cm~3土壤的有效起劈气压范围为1.6～2.4MPa;容重1.6g/cm~3、1.8g/cm~3的犁底层土壤裂隙主要沿水平方向扩散,容重1.4g/cm~3的犁底层土壤裂隙则同时沿竖直方向与水平方向扩散;容重越大的犁底层土壤,深松效果越好。     

基于离散元法宽面施肥铲的仿真设计与试验

针对施肥铲作业肥粒分布宽度较小导致土地肥力分布不均的问题,设计一种可扩大深松施肥宽度的宽面施肥铲。采用离散元分析法建立深松施肥土槽仿真模型,以施肥深度和施肥宽度为施肥作业效果评价指标,对影响施肥作业效果的施肥槽倾角、分肥板夹角2个因素进行仿真分析。仿真结果表明,控制耕深为300 mm时,宽面施肥铲平均施肥深度在200 mm以上,施肥槽倾角为80°,分肥板夹角为120°时,施肥面平均宽度达到最大。开展宽面施肥铲田间施肥性能试验发现,宽面施肥铲在平均深松作业深度为255. 6 mm时,平均施肥深度为156. 8 mm,平均施肥宽度达到106 mm,约为散肥板式深松施肥铲施肥宽度的2～3倍,有效增大了施肥面宽度;各测定参数变异系数小于12%,具有较稳定的深松施肥作业性能。     

双翼式深松铲的仿生设计及其离散元分析

深松铲是保护性耕作中进行深松的主要工具,其品质直接影响深松的效果.在对双翼式深松铲改型设计的基础上,应用仿生技术研究成果设计出仿生深松铲,并通过Pro/E软件对改型深松铲和仿生深松铲进行三维建模.而后应用离散元软件EDEM 对两种形式深松铲进行仿真分析,得出速度为0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 m/s时两种深松铲所受的耕作阻力.离散元分析结果表明,两种深松铲在触土过程中耕作阻力变化趋势相同.虽然仿生深松铲具有较好的土壤脱附和耐磨性能,但平均耕作阻力较之改型深松铲稍大.本研究方法为新型深松铲的优化设计提供了参考.     

耕作土壤的离散元法研究

耕作土壤本身是由土壤颗粒、气体、液体组成的多相复杂颗粒团聚体,是一种典型的离散颗粒物质。而离散元法是研究散粒体的一种数值模拟方法,对耕作土壤与机械相互作用的过程研究具有明显的优势。本文介绍了离散元法及其在耕作土壤动力学方面的应用,阐述了运用离散元法进行农机部件仿真模拟的过程,指出了耕作土壤离散元模型的优点及目前存在的问题。     

分层深松铲型配置参数对牵引阻力的影响

分层深松采用前后铲分层作业方式,深松后土壤更松碎,土层不发生改变。文章利用深松铲阻力测试装置,研究分层深松铲型配置参数对牵引阻力影响。结果表明,后铲25 cm深松深度,铲型组合为箭型-凿型时,分层高度差为11.5 cm、铲距为34.5 cm时牵引阻力最小;通过凿型、箭型、双翼型不同铲型组合及单层深松牵引阻力对比分析表明,深松深度相同时,分层深松前后铲型面积和越大阻力越大,分层深松阻力一般大于单层深松;分层深松交换前后铲型试验得出,深度相同时,凿型-双翼型、箭型-双翼型组合阻力分别小于双翼型-凿型、双翼型-箭型组合,而箭型-凿型组合阻力却与凿型-箭型组合十分接近。     

深松铲型式对深松作业的影响

通过试验对比方法,分析不同结构形式的深松铲对深松作业的影响,试验评价指标为土壤坚实度、膨松度和牵引阻力。试验采用国内常见的4种深松铲,分别为凿型深松铲、凿型带翼铲、曲面深松铲和箭型铲,在单因素的基础上,设计出合理的方案。研究结果表明:(1)深松作业可以有效降低土壤坚实度,凿型铲和曲面铲在水平方向影响距离大,在20 cm测点处分别降低土壤坚实度46. 85%、53. 14%;(2)从降低土壤坚实度最大值角度分析,曲面铲作业效果最好,凿型铲次之;(3)曲面深松铲作业在对土壤坚实度影响上具有明显的不对称性,两侧影响幅度不同;(4)深松作业对于深层土壤坚实度影响比浅层土壤大;(5)在相同作业条件下,曲面式深松铲深松作业需要更多的牵引阻力,作业后土壤膨松度最好。     

圆弧状深松铲柄的有限元分析

深松技术是保护性耕作重要技术之一,深松铲柄是深松机上最重要的零部件之一,因此其品质的好坏直接影响着深松机工作时的深松效果。本文是利用CATIA对深松铲柄进行三维实体建模,通过田间试验得出前倾角α为40度时的三角形截面最符合工作需要,然后通过接口将模型导入ANSYS中进行网格划分及载荷施加生成有限元模型,并对其进行变形及应力分析,三角形截面的深松铲的强度、刚度能够达到设计要求,满足其工作需要。     

基于EDEM仿真与SolidWorks Simulation的凿式深松铲有限元分析

应用EDEM建立了凿式深松铲的土壤深松离散元仿真模型,并对其土壤深松过程进行模拟仿真,获得深松铲耕作阻力载荷数据,应用SolidWorks Simulation对深松铲进行有限元静力学分析,获得模型的应力分布及变形位移。结果表明,模型的应力集中主要位于深松铲尖与铲柄的连接处,且模型最大应力88.6 MPa,小于材料用应力,满足强度设计要求;同时,对深松铲进行恒幅疲劳分析,疲劳分析损坏百分比为1.668%,疲劳生命周期4.16万h,满足疲劳分析强度设计要求。     

基于EDEM的双翼式深松铲设计与仿真试验

设计了一种由铲柄、铲翼及铲尖组成的双翼式深松铲,建立了基于EDEM离散元仿真模型,分析确定了双翼式深松铲主要工作参数及结构参数并进行仿真试验.结果表明,在试验范围内,双翼式深松铲耕作阻力F随铲翼翻土角γ及起土角α增大而增小,随耕作速度v先减小后增大.当双翼式深松铲铲翼翻土角γ取30°、起土角α取30°、耕作速度v取0.75 m/s时,双翼式深松铲耕作阻力F最小.土槽试验结果表明,双翼式深松铲作业时,土壤沿铲翼后部自动向内及后方迁移,土壤原地翻转,不堆积在侧边地表且两侧扰动小.     

基于EDEM-RecurDyn的自激式振动深松铲耦合仿真研究

为探究自激式振动深松作业新的仿真研究方法,通过动力学仿真软件RecurDyn和离散元仿真软件EDEM对自激式振动深松过程进行联合仿真分析。以耕作阻力为评价指标,耕作深度、牵引速度和弹簧刚度为变量,设计3因素3水平响应面分析和优化试验。结果表明,牵引速度为3 km·h^-1、耕作深度为350 mm和弹簧刚度为300 N·mm^-1时,深松铲最大入土角为26.39°,弹簧振动频率为3.84～6.25 Hz,弹簧对耕作阻力有明显缓冲作用;自激式深松铲参数耕作深度为301 mm、速度为2.6 km·h^-1、弹簧刚度115 N·mm^-1时,以最小耕作阻力为评价指标的作业效果最优。EDEM-RecurDyn联合仿真为自激式振动深松铲的优化设计提供新方法。     

国内外深松铲研究现状与展望

深松技术是保护性耕作重要技术之一,深松铲技术标志着深松技术水平。近年来随着我国逐渐实施农田保护性耕作,深松技术的研究及深松铲的研制已经受到科研领域的重视,且得到了一定的发展。本文主要介绍了现有深松铲的类型、特点、松土原理及影响因素,阐述了国内外深松铲研究过程中所使用的方法及研究进展,分析了新型弧状深松铲深松机的理论及优化,提出了有关国内深松机发展过程中需要改进的建议。