深松铲耕作阻力的离散元法仿真分析与田间试验

目深松铲的设计制造是一个复杂的过程,本研究基于离散元法对深松铲与土壤的相互作用过程进行了研究。基于传统离散元理论,考虑到土壤颗粒间液桥力作用,建立了土壤颗粒以及深松铲模型。将深松铲在耕速为1 m/s,耕深为180 mm,220 mm和260 mm的条件下进行了离散元法仿真,并获取了耕作阻力曲线。仿真得到的耕作阻力与田间试验结果能较好的吻合,在三个耕作深度下的相对误差分别为2.96%,14.95%以及7.15%。结果证明离散元法能较好的分析深松铲的工作过程,并且对今后进一步优化深松铲的结构有重要意义。     

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。     

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。     

铲式成穴器工作过程的离散元仿真分析

铲式成穴器是播种机工作过程中用来生成穴孔的成穴装置,为研究铲式成穴器的成穴性能,采用离散元法研究成穴器的工作过程。分别建立成穴器与土壤颗粒的二维离散元仿真分析模型,通过对土壤颗粒与成穴器之间施加合理的力学模型,进行铲式成穴器工作过程的离散元仿真分析。结果表明:随着打穴深度的增加,水平工作阻力的波动较大,而垂直工作阻力变化较小;通过对土壤颗粒动态速度场的分析描述,验证了铲式成穴器理论分析的正确性,证明了采用离散元分析成穴器工作过程的可行性。     

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。     

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.     

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.     

基于离散元法的茶园松土装置结构的优化与仿真试验

针对目前大多数茶园松土装置使用的旋耕刀区域针对性不强,不适用于南方山地丘陵地形,耕作效果不佳、耗能大、土壤保墒能力差等问题,应用离散元法对旋耕刀的工作过程进行动力学仿真和结构优化.以福建山地茶园土壤为试验样本,采用Hertz-Mindlin with Bonding模型作为土壤颗粒间的接触模型;以弯刀的正切面折弯角、弯曲半径和单刀切削幅宽为试验因素,设计三因素六水平的均匀试验,进行旋耕刀—土壤动力学仿真试验,以旋耕转轴扭矩和土壤扰动系数为评价指标.仿真试验结果表明,在折弯角128°、弯曲半径20 mm、单刀切削幅宽36 mm条件下,转轴扭矩值和土壤扰动系数都较小.     

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。     

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-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。     

基于离散元法苜蓿压扁调制过程仿真分析与试验

为研究苜蓿压扁调制机构工作参数对作业性能的影响,采用离散元模拟对基本参数进行优化。基于理论分析,以苜蓿压扁率和压扁损失率为考核指标,采用EDEM软件分别对喂入量、调制辊转速和调制辊间隙作单因素模拟试验,结合模拟试验结果,开展Box-Behnken三因素三水平响应曲面仿真试验研究并对回归模型进行多目标优化。结果表明,各因素对苜蓿压扁率、压扁损失率影响显著性由大到小分别为喂入量、调制辊间隙、调制辊转速和调制辊间隙、喂入量、调制辊转速;最佳工作参数组合为：喂入量2.9 kg·s^-1、调制辊转速694 r·min^-1和调制辊间隙3.7 mm,此时苜蓿压扁率为94.45%、压扁损失率为3.27%,将最优参数通过台架验证试验,测得试验结果与模型优化值相对误差小于3%。研究结果可为相关机具设计和优化提供数据参考和理论依据。     

基于DEM-MBD耦合预破土组合深松铲仿真研究

为了研究在振动深松条件下深松铲预破土对深松碎土的作用效果,利用DEM-MBD耦合技术对振动深松时深松铲和土壤颗粒之间的相互作用进行模拟研究.在试验台模型及连接不改变的条件下,探讨不同破土器半径大小以及安装位置与土壤颗粒的扰动情况,采用土壤扰动云图和运动副采集力来量化深松效果.仿真试验结果表明,在振幅振频条件相同、前进速度0.4 m/s时,破土器圆内弧半径150 mm,安装位置在3号组位的土壤扰动较好,深松效果较好;带有圆弧形破土器的深松铲对深松减阻具有显著作用,可以减少耕作阻力.该研究对研制结构简单、深松减阻高效的深松机具设备提供了理论依据,也为不同土质深松作业研究提供了一种有效的计算方法.     

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.     

双翼深松铲结构的有限元分析与改进设计

在对深松铲进行二维设计的基础上,应用Pro/E和ANSYS软件对经验设计的双翼深松铲结构进行了力学分析并在此基础上进行了改进.结果表明:采用打孔方式固定深松铲是造成铲柄应力集中的主要原因,改进固定方式是解决问题的有效方法;应用ANSYS软件进行有限元分析是重要的现代设计方法之一,但与经验设计有机融合是提高设计质量的重要途径.同时,经验设计也有一定的优点,不应该全部否定.本文还对深松铲过载保护的必要性和方法进行了论述,设计了过载保护装置,该保护装置可以有效的对深松铲进行保护,避免断裂等损坏的发生.     

双翼深松铲设计参数的试验研究

本文分析了双翼形深松铲的主要结构参数:翼张角2γ、铲宽 B、起土角α以及使用参数:作业速度 V、耕深 H 等因素对耕作阻力的影响。并在此基础上得到了各因素的合理取值范围,即2γ=80°～85°、α=18°～23°、V=2km/hH<180mm,从而可供在双翼深松铲设计和使用时参考选用。