基于多体接触碰撞的松软地面车轮沉陷仿真

提出了一种大规模多体系统接触碰撞理论与车辆地面力学理论相结合的仿真方法,并基于多体动力学仿真平台开发了车轮土壤相互作用仿真模块。基于该方法建立的土壤动力学模型和车轮土壤接触碰撞模型,进行了车轮沉陷的仿真。根据记录,在普通配置台式计算机上模拟土槽系统30 s的运动,仅需20 min。在相同实验条件下,仿真结果与土槽实验结果趋势一致,仿真曲线与土槽实验曲线吻合良好。由此表明该仿真算法能够满足越野行驶仿真的需要。     

土壤塑性变形的混沌振动压路机动力学仿真研究

基于土壤变形的一种塑性模式,提出了混沌振动压路机压实过程的动力学模型。借助计算机技术对其过程进行了数值仿真,探讨了不同激振频率和不同路面条件下的振动轮运动规律,并进行了混沌特征的识别。仿真结果对混沌振动压路机的设计有参考价值。     

植烟沙壤土与触土部件相互作用的离散元仿真参数标定

为获取南方地区植烟沙壤土离散元模型的精准接触参数,以福建植烟沙壤土为研究对象,构建准确的植烟沙壤土离散元模型。基于Hertz-Mindlin with JKR接触模型构建沙壤土堆积仿真试验,以堆积角为响应值,通过二水平因子试验、最陡爬坡试验和响应曲面试验,确定土壤基本接触参数。在此基础上通过土壤与触土部件相互作用的离散元仿真试验与土槽试验的对比分析,验证沙壤土仿真模型准确性。触土部件离散元仿真试验与土槽试验结果表明,触土部件所受扭矩仿真值与实测值曲线趋势大致相同,两者15个波峰平均值误差为9.45%,两者所受最大扭矩误差为11.48%,说明土壤模型准确可靠。构建准确的南方植烟沙壤土离散元模型,为该类型土壤与触土部件相互作用的动力学研究提供技术支持。     

蔬菜移栽机鸭嘴栽植器振动压实研究与试验

为解决在目前蔬菜移栽中鸭嘴栽植器入土时,由于土壤的压实度不够理想,苗穴易垮塌等问题,以土壤压实为研究对象,分析了振动压实机理,建立了土壤压实的动力学模型,通过偏心振动的方式设计了振动压实装置,振动频率通过调节电机转速来调节,振幅通过加减偏心块或者改变偏心块安装相位角来实现。针对试验用土进行了最佳压实含水率测定试验,在此含水率下通过多组试验测定了在不同振动频率、振幅、入土速度3个关键影响因素下的压实度。通过响应面法分析得出:振幅对于压实的影响最大,振动频率次之,入土速度影响最小,确定了在含水率27%、振动频率28Hz、振幅为1.35mm、入土速度为1500 mm/s下进行压实作业,此时在利于蔬菜生长的可压实度范围内取得最大的压实度值为64.73%,为蔬菜移栽机的研发提供了参考。     

轮式作业机械对农田土壤压实的模拟试验研究

为了简化农田作业机械对土壤压实的试验过程,对轮式作业机械对土壤参数的压实影响总的变化趋势进行分析。用简单的试验装置对轮式作业机械对土壤的压实进行模拟试验,模拟试验测取了不同接地比压,不同通过次数下土壤含水率、容重和坚实度3项指标的变化。试验表明:接地比压和通过次数对当时土壤的含水率的影响不大;接地比压对土壤坚实度和表层土壤容重的影响较大;土壤被压实1次和2次时土壤的坚实度和容重有较大的影响;接地比压和土壤压实次数对深层土壤的容重影响不大。     

深松土壤扰动行为的离散元仿真与试验

分析深松土壤的扰动行为是深入研究深松铲-土壤互作用规律的基础。采用离散元方法建立深松工作模型,结合高速摄影技术及室内土槽试验,对比分析了不同位置深松土壤的微观运动及宏观扰动行为。结果表明,土壤的扰动范围随土壤与深松铲之间距离的增大而减小;不同位置土壤的扰动范围由大到小依次为:浅层、中层、深层;在深松范围内,土壤的运动速度随土壤与深松铲之间距离的增大而逐渐减小,等速度土壤颗粒的分布曲线与深松铲的铲柄弧线基本吻合;不同深度土层土壤颗粒在不同方向上的平均运动速度为:在x方向上由大到小依次为浅层、中层、深层,在y方向上由大到小依次为中层、浅层、深层,在z方向上由大到小依次为深层、中层、浅层;离散元仿真能够较准确模拟深松土壤的扰动行为,仿真与试验获取的土壤扰动截面轮廓形状基本吻合,土壤膨松度、土壤扰动系数的仿真值与试验值的相对误差分别为13.21%、17.38%;地表土壤纵向堆积角的仿真值与试验值的相对误差为9.42%。     

一种精整机压实强度的关键参数控制分析

通过对精整机的工作对象土壤特性进行分析，建立了土壤压实过程中的参数模型，获取在土壤压实过程中对压实强度有关键影响的控制参数。对不同影响参数进行试验验证，结果表明：在精整机工作过程中，压实力和压实滚轮直径对土壤压实强度和压实变形量影响显著，压实滚轮宽度对土壤压实强度和压实变形量影响不显著。研究可为精整机使用过程中参数调整提供理论指导。     

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。     

微耕机旋转耕作部件土槽试验台设计

旋转耕作部件是微耕机的核心部件,其土壤切削性能直接影响微耕机的能源消耗及耕作效能。针对理论分析、数值模拟等方法研究土壤切削的局限,以及田间试验受环境因素制约的现状,提出通过室内土槽试验研究旋转耕作部件的耕作特性。以某微耕机耕作部件和行走箱为原型,基于模块化设计方法设计集旋耕、土壤平整、土壤压实等功能于一体的土槽试验台,并开发以PLC为核心的试验台控制系统。调试结果表明各功能模块运行平稳,基于该试验台可实现双辊作业模式下旋转耕作部件的性能试验。     

山地拖拉机坡地等高线旋耕土壤侵蚀规律研究

针对黄土高原丘陵山区坡地等高线旋耕作业时土壤耕作侵蚀(土壤由坡高侧向坡低侧迁移)严重及其机理不明等问题,通过理论分析、仿真试验、土槽及实地试验相结合的方法,深入开展山地拖拉机坡地旋耕侵蚀规律研究。首先,构建了H245标准型常用旋耕刀在坡地工况下的扰土体积参数方程,完成了旋耕刀坡地扰土过程的经典力学分析,确定了导致坡地旋耕土壤侵蚀的主要影响因素：坡地角、耕作深度、刀轴转速以及旋耕作业速度;然后,基于EDEM离散元仿真软件研究了单把旋耕刀和旋耕机整机的坡地扰土规律,得出土壤颗粒在旋耕刀侧切刃的动态滑切作用下有水平向后运动的行为,浅层土壤颗粒位移最大,深层土壤颗粒位移最小,并且深层靠近旋耕刀回转中心的土壤颗粒位移最大;土壤的侧向位移方向受旋耕刀正切刃朝向的影响;随着旋耕刀的入土,土壤颗粒在垂直方向的位置呈先变深后变浅的趋势。最后,选取旋耕刀轴转速、旋耕作业速度和坡地角作为试验因素,进行了实地旋耕单因素和正交试验,单因素试验得到土壤水平、侧向位移随着上述3个因素变化的规律;正交试验方差分析得到影响土壤侧向位移的主次因素为坡地角、旋耕刀轴转速、旋耕作业速度,影响土壤水平位移的主次因素为旋耕作业速...     

仿形弹性镇压辊设计与试验

针对保护性耕作条件下与大豆耕播机配套的镇压辊压实土壤不均匀、相关耕播机具纵向尺寸过长的问题,设计了一种仿形弹性镇压辊,采用弹性辐条结构,通过理论分析确定了镇压辊的主要结构参数:直径D=450 mm,宽度B=210 mm,弹性辐条数量n=12。利用ADAMS软件对镇压辊进行运动仿真,同时进行土槽试验,采用L9(34)正交试验,在土壤干基含水率为20%时,考察了仿形弹性镇压辊的弹簧刚度k、载荷F、作业速度v和土壤坚实度P对其镇压力波动的影响。通过ADAMS运动仿真,找到了各因素的最佳取值范围;通过正交试验,得到了各因素的主次顺序:载荷、弹簧刚度、土壤坚实度、作业速度,最优组合为载荷800 N,弹簧刚度5 N/mm,土壤坚实度15 k Pa,作业速度0.5 m/s,模拟仿真的结果与试验结果吻合很好。通过对比试验,得到仿形弹性镇压辊在垄台表面有一定倾角的情况下能更好地保证镇压的均匀性。     

仿生镇压辊压实性能的有限元分析与试验验证

前期土槽试验结果表明,与传统镇压辊相比,采用Q235制成的正12面体仿生镇压辊的防壅土效果显著,但无法起到减粘降阻的效果。为此,采用有限元方法,从Mises应力云图、接触面积和位移云图3方面对比了正12面体仿生镇压辊和传统镇压辊的压实效果。结果表明:正12面体仿生镇压辊作用于土壤的Mises应力比传统镇压辊增加了40.07%,有利于种子与土壤紧密接触;正12面体仿生镇压辊与土壤的接触面积比传统镇压辊高3.10%,意味着正12面体仿生镇压辊起不到防粘的作用;正12面体仿生镇压辊对应土壤模型节点在X方向的位移比传统镇压辊降低5.88%,证实正12面体仿生镇压辊能起到一定的防壅土作用;两种镇压辊对土壤造成的Y方向的扰动范围及位移变化量相差不大,表明两种镇压辊压后土壤容重接近;正12面体仿生镇压辊造成土壤Z方向位移变化的最大值比传统镇压辊高出5.04%,意味着正12面体仿生镇压辊消耗的功要略高于传统镇压辊,与土槽试验结果吻合。研究结果可为农业机械触土部件压实性能的有限元分析提供数值模拟方法。     

粘质土旱作深松保墒试验研究

在旱作条件下,利用ＩＳＱ－２５０型全方位深松机对粘质土进行不同深度地全深松,结果表明：粘质土深松在不打乱土层的条件下,打破犁底层,形成一种虚实相间的土壤结构,从而改善了粘质土的物理性状,促进降雨入渗,增加土壤深层蓄水量;对改变土壤漂泊 运移规律,协调土壤养分也起到一定的作用;     

基于离散元法的旋耕过程土壤运动行为分析

土壤与耕作部件间的相互作用规律是设计和选用土壤耕作部件的基础。研究土壤和耕作部件间的相互作用规律就是要研究耕作部件对土壤产生的作用和它们之间的作用力,首先必须探讨耕作部件工作时土壤运动规律和施加于土壤的作用力。为此本文建立基于离散元方法的旋耕工作模型;对比分析实验与仿真的土壤位移:在土槽实验中采用示踪块方法测量土壤位移,仿真中通过追踪表层土壤颗粒的运动获得仿真位移;利用实验和仿真数据对土壤位移和运动机理进行分析。结果表明:土壤水平和侧向位移都随着转速增加呈现增加的趋势;土壤的水平运动位移总是大于同转速下的侧向位移。浅层土壤颗粒的运动位移最大,中层土壤次之,深层土壤最小。较深位置的土壤,距离旋转中心越近的土壤颗粒水平位移和侧向位移越大。在旋耕刀切土范围内的土壤,有向相反方向运动趋势的浅、中、深层颗粒比例分别为26.2%、72.1%、48.4%。在水平力作用下,大部分土壤颗粒随着旋耕刀切土有向后运动的行为;土壤在开始时刻的侧向受力和侧向运动方向,由颗粒的侧向位置是否偏离侧切刃轴线决定,位于侧切刃轴线左侧的颗粒,则其侧向力向左,反之亦然;土壤在垂直方向先随着刀具入土向下运动,然后滑出刀刃边界被抛起。本文建立的仿真模型得到的土壤水平位移和侧向位移与相应实验值的误差为24.9%和15.3%。本文运用离散元法进行旋耕过程中土壤宏观和细观运动行为的分析,有助于理解旋耕刀与土壤的相互作用机理,为旋耕机械的设计与优化提供理论依据。     

仿生镇压辊减粘降阻的有限元分析与试验验证

利用ABAQUS软件建立了传统镇压辊和仿生镇压辊与土壤相互作用的三维有限元模型。模拟结果中伪应变能约占内能的0.1%,传统镇压辊和仿生镇压辊的牵引阻力的模拟值和试验值相对误差分别为11.47%和2.38%,模拟值和试验值吻合较好,验证了模型的可靠性。从Mises应力云图、镇压辊与土壤接触面积和位移云图3方面对2种镇压辊的模拟结果进行了对比。结果表明:仿生镇压辊与土壤的接触应力显著大于传统镇压辊,更利于将土壤表层的土块压碎;仿生镇压辊与土壤的接触面积比传统镇压辊降低了79.05%,有利于降低土壤与仿生镇压辊表面的粘附力,且土槽试验结果得到仿生镇压辊的粘附土壤量比传统镇压辊降低52.78%;仿生镇压辊表面的肋条结构能在一定程度上约束土壤流动,避免了壅土现象的产生;2种镇压辊的下陷量相差很小,压实阻力基本相同,但仿生镇压辊更利于压实表层土壤;传统镇压辊造成土壤沿镇压辊宽度方向的位移扰动量大于仿生镇压辊,需要消耗更多的功。土槽试验结果表明:与传统镇压辊相比,仿生镇压辊的阻力降低了28.66%。     

碾压式土石坝压实质量控制中若干

土石坝压实质量控制是土石坝施工中的重点问题。从土的压实机理出发，通过击实、碾压试验，确定压实度和最大干密度及碾压参数，经对现场压实质量实时检测，依据施工质评标准，控制压实质量。以铁岗水库扩建工程中主坝后坝坡加高培厚的填筑施工为例，对土石坝压实质量控制中步骤及存在的问题进行了简略分析。旨在正确地应用压实标准，合理操作试验规程，分析试验成果，确保工程质量。     

碾压式土石坝压实质量控制中若干问题的探讨

土石坝压实质量控制是土石坝施工中的重点问题.从土的压实机理出发,选取正确的压实标准,通过击实、碾压试验,确定压实度和最大干密度及碾压参数,经对现场压实质量实时检测,依据施工质评标准,控制压实质量.以铁岗水库扩建工程中主坝后坝坡加高培厚的填筑施工为例,对土石坝压实质量控制中步骤及存在的问题进行了简略分析.旨在正确地应用压实标准,合理操作试验规程,分析试验成果,确保工程质量.     

摊铺机压实机构动态特性仿真

在摊铺机中,由熨平压实机构和压实介质组成的系统,为两个自由度的非线性动力学系统,压实介质简化为粘弹塑性体.建立熨平压实机构动态特性力学模型,利用计算机仿真,研究了熨平压实机构的动力学问题,分析了熨平压实机构动力学参数变化对该系统动态特性的影响.     

油茶林立式螺旋松土除草机设计与试验

为实现低矮密集型油茶林松土、除草、除灌一体化作业,解决油茶林土壤板结、草灌杂生等问题,设计了立式螺旋松土除草机。通过对油茶林常见杂草、杂灌根系的物理力学特性分析,结合刀具运动分析,设计了立式螺旋耕刀。采用Hertz-Mindlin bonding接触模型建立了根土复合体模型,以降低功耗为目标对刀具参数进行了仿真优化,分析其对根土复合体的扰动情况,并试制样件进行了土槽试验,检验耕作效果,验证了仿真分析的可靠性。仿真结果表明：优化后立式螺旋耕刀对根土复合体的扰动率可达到91.41%,切削土壤时最大功耗为0.16 kW;切削根土复合体时最大功耗为0.77 kW。土槽试验表明：耕刀的耕深稳定性系数为92.34%,碎土率95.00%,除根率95.30%;螺旋耕刀在切削土壤时,实际测得最大转矩为7.93 N·m,比仿真值低6.57%;切削根土复合体时,实际测得最大转矩为34.84 N·m,比仿真值低4.91%,两者比较接近,验证了设计的正确性。设计的立式螺旋松土除草机满足丘陵山地油茶林松土、除草、除灌作业要求。     

微耕机水田旋耕刀片切土作业过程动力学仿真

针对微耕机旋耕作业部件与水田土壤间的作用机理研究匮乏,作业过程出现碎土性能差、效率低、和功耗大等问题,以1WGQ4型微耕机为对象,采用有限元法(FEM)和光滑粒子流体动力学方法(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)的耦合方法,构建土壤-旋耕作业部件系统的动力学仿真模型,在细观上对旋耕作业部件刀片与水田土壤间的作用过程进行动力学分析。结果表明:构建的土壤-旋耕作业部件系统的动力学仿真模型精度高;水田旋耕刀片向后抛起的土壤少,与挡板碰撞破碎的土壤少,水田微耕机采用前耕后驱设计方案有利于提高其碎土性能。