犁体曲面离散元仿真试验与参数优化

为了优化犁体曲面结构参数、减小铧式犁耕作阻力,采用水平直元线法设计犁体曲面,运用Solidworks软件建立实体模型,利用EDEM软件建立犁体—土壤离散元模型,并以犁体阻力最小为目标,对犁体铧刃角、犁铲安装角和导曲线扣垡角三因素进行正交仿真试验。仿真结果表明:所建立的犁体—土壤离散元模型可以较好地反映犁体在耕作过程中的阻力的变化情况,犁体阻力随着犁体与土壤接触面积的增大而增大,当犁体全部进入耕作状态时,犁体所受阻力达到2 621～2 795N,且趋于稳定。正交试验结果表明:铧刃角对犁体阻力影响极显著,犁铲安装角和导曲线扣垡角对犁体阻力影响显著。犁体结构最佳设计参数组合为:铧刃角45°,犁铲安装角25°,导曲线扣垡角5°,犁体阻力为2532 N,比优化前减少6. 36%。研究结果为犁体曲面优化设计提供一种离散元分析方法,也为犁体曲面的设计提供数据参考。     

碎土型犁体曲面作业过程的仿真分析——基于ANSYS/LS-DYNA

在农机作业中,铧式犁主要是通过犁体曲面完成对土壤的切土和翻垡,达到土壤耕作的目的.犁体曲面的参数对铧式犁的工作性能和动力消耗都有较大的影响.为此,利用数学建模中参数化建模的方法对碎土型犁体曲面进行建模,并对犁体曲面耕翻过程进行动力学仿真分析,得出优化的曲面参数及其各项参数对犁体曲面工作性能(牵引阻力、翻馑性能)的影响,从而达到对铧式犁优化设计的目的.     

元线非直线型铧式犁几何与力学特性研究

降低铧式犁耕作阻力,减少能源消耗,是国内外农业机械研究者一直非常关注的课题。铧式犁犁体曲面成型方法是元线沿着准线按照一定规律运动形成,元线与准线形式是影响铧式犁耕作阻力的两个重要因素。以BTU3 5犁体为基础,用三角函数曲线代替直线作为元线形成新犁体曲面,采用有限元分析方法 ,将两犁体曲面耕作阻力进行比较。研究发现:三角曲线作为元线形成的犁体曲面耕作阻力较小,在5、6、7km/h时耕作阻力分别比原犁体降低2.5%、4.1%、3.9%。结合直线与sin函数曲线曲率变化情况,可得出结论:变曲率犁体曲面更有利于降低耕作阻力。     

基于LS-DYNA的铧式犁结构优化设计及性能分析

基于LS-DYNA法建立犁体与土壤的耦合接触有限元模型,讨论不同犁体导曲线、铧刃角、安装角、端点角、耕作速度对耕作过程翻垡效果和犁体应力影响,并进行试验验证。结果表明：椭圆曲面比抛物线曲面耕作时阻力更小、土壤翻垡效果更好,阻力降低5.6%,翻垡距离提升14.8%;对犁体前进速度、铧刃角、安装角、端点角进行单因素分析,发现翻垡距离随着速度增加而增加,而随着铧刃角、安装角、端点角呈现出先增大后减小的趋势。因此,通过选取合适的速度与结构参数可以提升铧式犁的翻垡性能,减低犁体阻力。     

油菜直播机铧式开畦沟前犁曲面分析与阻力特性试验

阐述了铧式开畦沟前犁装置的基本结构组成,比较分析了铧式开畦沟前犁装置翻土型犁体曲面和改进型碎土型犁体曲面特征,提出以犁体牵引阻力、犁耕比阻及功耗为主要评价指标,借助高速数字化土槽试验平台,开展了前进速度、沟深、沟宽、土壤坚实度等影响要素的试验研究。试验结果表明:沟深对牵引阻力、犁耕比阻影响最显著,前进速度、沟深对功耗影响最显著;改进型犁体装置牵引阻力、犁耕比阻、功耗都分别为原设计犁体的35%~50%。     

油菜直播机开沟犁体曲面优化与试验

为减小油菜直播机开畦沟系统牵引阻力并分析机组不同作业速度对牵引阻力影响的规律,开展了开畦沟犁体曲面参数与作业速度的试验研究。建立了EDEM离散元土壤仿真模型,以犁体牵引阻力为试验指标分别开展以铧刃起土角、导曲线开度、直元线起始角、直元线最大角及作业速度为试验因素的试验;构建了犁体曲面优化模型,并开展了犁体曲面的3D打印及试制加工。仿真试验结果表明:在试验范围内,牵引阻力随铧刃起土角增大而减小,分别随导曲线开度、直元线起始角、直元线最大角增大而增大,随作业速度的增大而急剧增大,作业速度从1.0 m/s增加到2.0 m/s,牵引阻力及功耗分别为前者的1.98倍及3.97倍;仿真优化结果表明:当犁体在一定工作参数条件下,铧刃起土角为15°,导曲线开度为190 mm,直元线起始角为35°,直元线最大角为40°时,犁体牵引阻力最小为241.11 N,比优化前减少11.26%。为考察优化犁体实际田间作业效果,对犁体进行3D打印及试制加工并与原有犁体进行田间对比试验,结果表明优化犁体作业的畦沟沟底大块土垡少,残留土壤质量减少62.87%,沟底干净,T型沟明显。     

基于微分几何与EDEM的船型开畦沟装置触土曲面优化

针对长江中下游地区油菜种植时土壤黏重板结、含水率波动大、播种作业需开畦沟避免渍害的农艺要求,考虑开沟犁体的触土曲面复杂、难以通过高速数字化土槽及田间试验方法寻求其减阻设计方法和理论依据的问题,采用微分几何理论并结合EDEM仿真方法,开展了驱动圆盘犁对置组合式耕整机开畦沟装置主要触土曲面结构优化研究。通过对主要触土曲面(开畦沟前犁犁体曲面、船式开沟犁整形曲面)牵引阻力分析和曲面参数分析,确定了触土曲面主要结构参数范围。根据微分几何理论,分别建立了能量化描述不同导曲线类型(直线、抛物线、指数曲线)犁体曲面形状变化差异的微分内蕴几何量E、L、M表达式。阻力特性仿真试验结果表明:在作业速度为0. 9～1. 5 m/s、曲面结构参数一定时,导曲线为抛物线型的开畦沟前犁和船式开沟犁具有较好的减阻特性,其平均牵引阻力相比直线型犁体分别低15. 09%、16. 92%,相比指数线型犁体分别低32. 59%、31. 58%。触土曲面的内蕴几何量E、L、M可分别反映犁体阻力随速度的增长速率、犁体牵引阻力大小、犁体阻力随速度的波动程度。当设计犁体的导曲线形状使曲面内蕴几何量E的变化率较小、L为单调减函数、M的波动较小时,犁体具有较好的减阻性能。参数优化仿真试验表明:在作业速度为1. 2 m/s、抛物线型开畦沟前犁宽度为92 mm、船式开沟犁整形曲面最大元线角为66°时,开畦沟装置牵引阻力最小,为1 042. 52 N。田间试验表明:经参数优化的组合式船型开畦沟装置在作业速度为0. 9、1. 2、1. 5 m/s时测试的平均牵引阻力分别为956. 77、1 101. 33、1 564. 85 N,与仿真试验结果误差在7%以内,作业效果满足油菜播种开畦沟的农艺要求。     

甘蔗深耕犁体曲面的动力学仿真

利用ANSYS/LS-DYNA软件对甘蔗深耕犁的翻土过程进行动力学模拟仿真.根据犁体曲面生成原理,使用参数法建立犁体曲面的数学模型,并利用Pro/E软件建立犁体曲面的虚拟模型,在此基础上进行动力仿真分析,得到犁体曲面在翻土过程中犁耕阻力的变化曲线图.     

犁体曲面设计及数控加工研究

研究了犁体曲面的设计以及制造犁铧、犁壁的压形胎具、铸模和检验样板的数控加工方法.通过分析,建立了犁体曲面的数学模型,基于Pro/Engineer构造了犁体曲面的实体,在已建立的实体基础上,研究犁体曲面的数控加工方法.利用CAXA制造工程师软件进行了数控加工过程的仿真,生成了适合V600A加工中心加工的G代码程序.这种设计方法弥补了平面作图设计中的不足和缺陷,为数控加工和分析犁体曲面形状的几何参数与耕后质量和所耕土壤的物理力学性质、耕速、阻力和功率消耗奠定了基础.实践表明,该方法是可行的,能够满足犁体设计和制造的要求,可应用于其它农业机械零件的数字化设计和制造,可对其它类型犁体曲面设计加工提供参考依据.     

旱作沙壤土上铧犁犁体曲面阻力分析

在为华北地区研究設計性能好、阻力輕的机力犁以及在探討小垡条铧犁能否作为我国一些地区犁的发展方向的过程中,除了应探明犁体曲面参数对翻土、碎土、及复盖等性能的影响外,还必須研究它們与阻力間的关系。由于铧犁耕作时土垡受力与变形情况相当复杂,所以尽管长期以来各国許多研究工作者对铧犁与土壤相互作用过程进行了大量的工作,但在建立犁体曲面阻力关系式的問题上,却始終未能获得与实际相符的,且便于应用的結果。     

阳城犁镜

犁壁,又称犁镜.犁壁在犁铧的上方,与犁铧形成一个不连续的曲面.犁铧只能耕开土壤,不能翻转土壤.汉代犁壁的发明,使破碎和翻转土壤的问题同时得到了解决.耕地时,犁壁将犁起的土块向一侧翻转,起到翻压杂草、杀虫的功效,同时使用犁壁还可以减小犁体所受的阻力.     

阳城犁镜

犁壁，又称犁镜。犁壁在犁铧的上方，与犁铧形成一个不连续的曲面。犁铧只能耕开土壤，不能翻转土壤。汉代犁壁的发明，使破碎和翻转土壤的问题同时得到了解决。耕地时，犁壁将犁起的土块向一侧翻转，起到翻压杂草、杀虫的功效，同时使用犁壁还可以减小犁体所受的阻力。     

数学解析法设计犁体曲面探索之一

作者通过试验,提出了用单一的曲面方程连续描述犁体曲面的方案,取得如下结果。 一、用一直元线沿着一条连续的水平迹线移动,二面绕x轴转动,同时改变与x轴的空间夹角的原理建立了连续的犁体曲面解析式,实践证明行之有效,而且所设计的1LD-230悬挂重型二铧犁犁体曲面性能良好,并已鉴定定型。 二、建立了犁胫线、顶边线、翼边线等解析式,以此与曲面解析式联解,可以得到元线的边界坐标值,构成具有完整轮廓的犁体曲面。 三、从连续描述的犁体曲面解析式导出的性能曲线、样板曲线均连续可微,且推导运算简便。为探索土壤运动轨迹的物理方程及犁体曲面有理设计创造了条件。     

设施农业犁具作业性能仿真研究

为探索土壤与作业机具间相互作用关系,以单铧犁为例,进行犁体曲面建模,建立土壤与犁体模型,通过模型仿真对单铧犁作业性能进行研究。通过对模型进行静力学仿真,获得犁体曲面的应力变化;通过对模型进行动力学仿真,可知犁具的犁耕速度适宜取在0.3 m/s左右,此时能保证生产率与犁具使用寿命。     

铧式犁减阻性能研究

优化铧式犁犁体曲面形状,降低耕作阻力,是一项亟待解决的问题。从犁体曲面成型方法可知,导曲线形状是影响铧式犁耕作阻力的一个重要因素。为此,以BTU35犁体为基础,在Solid Works中建立5种不同导曲线犁体,并将模型导入ANSYS进行显示动力学分析,得到其耕作阻力。仿真试验表明:以四次多项式曲线为导曲线形成的犁体耕作阻力较小,在3km/h时降阻3.75%,7km/h时降阻4.56%,平均降阻3.93%。结合不同导曲线曲率半径变化情况与工作阻力之间的关系,可得结论:导曲线曲率半径变化复杂的犁体有较好的减阻性能。     

基于耕地机犁体自由曲面的数控铣削加工

耕地机犁体曲面是空间任意的曲面。设计合理的犁体曲面,应采用CAD/CAM软件进行实体造型,曲面设计成高速梨曲面,既可以降低无效阻力,又能减轻犁的质量,增强曲面的光滑程度。为此,采用数控加工中心对耕地机犁体空间自由曲面进行铣削加工,选择不同的加工方式和合理的参数,对粗加工时间和精加工结果进行对比分析。结果表明:流线式粗加工和环绕等距式精加工组合有更高的加工效率和更好的质量,能使耕地机减少抛扔的能量消耗,提高耕地机零部件的加工效率。     

基于离散元的棉田仿生减阻犁体设计与试验

针对当前铧式犁在棉田土壤犁耕作业过程中易黏附、阻力大、能耗高等问题,立足两种典型棉田土壤,以犁体、棉田土壤和两者之间的相互作用为研究对象,提出犁体曲面模型优化和表面结构仿生相结合的方法。以穿山甲体表的鳞片三角圆弧状结构和蜣螂体表的凸包结构相结合作为仿生原型,研制一种棉田仿生脱附减阻犁体,分别对两种棉田土壤的物理和化学特性进行试验测定并建立离散元模型。进行传统犁体与仿生犁体的耕作过程仿真与试验,在1号土样中仿生犁体相对传统犁体减阻5.4%,土壤减粘性能提升44.15%;在2号土样中仿生犁体相对传统犁体减阻7.8%,土壤减粘性能提升45.49%,研究结果表明仿生犁体对棉田土壤减粘降阻效果明显。     

犁体曲面设计的数学方法

目前世界各国所采用的各种设计犁体曲面的方法,都因为没有解析表达式,而不能把耕作中的几种主要因素有机地联系起来,因而犁体曲面的设计大都停留在经验的基础上。 本文通过变形垡片的滚翻运动,利用Hermite插值公式,建立了犁体曲面的解析表达式: Z(x,y)=F_1(x)y~3+F_2(x)y~2+F_3(x)y+F_4(x) 通过对变形垡片的运动分析,分析了曲面设计参数的变化规律,建立了参数间的相互关系,确定了它们的取值范围,从而初步地把五种设计因素联系起来,给出了用数学方法设计曲面的具体步骤。 本文试图为犁体曲面的设计提供一种新的设计方法——用数学的方法设计犁体曲面。对犁体曲面加以数学模型化,为进一步用电子计算机设计曲面提供了基础。     

犁体在犁耕过程中的功率消耗——计算机数值模拟

本文通过理论分析,建立了计算犁体在犁耕过程中的功率消耗简化模型。在土壤沿犁面运动形成稳定流场的基础上,可计算出犁体的功率消耗。通过对各种不同几何参数犁体的计算结果比较,可进行优化犁体曲面几何参数的设计。本文还给出在高速型犁体上的数值实例。     

虚拟犁体曲面的性能分析

以LEMLON犁体曲面为基础,在Pro/E中分析了犁体曲面的基本性能,指出其存在的问题;然后,在An-sys上对梨体曲面进行有限元分析,找出了犁体曲面在设计中的薄弱环节,从而为犁体曲面的优化设计提供了有利的支撑。