基于SPH算法的平面刀土壤切削过程模拟

以我国华北一年两熟区保护性耕作地土壤为原型,利用ANSYS/LS_DYNA对平面刀切削土壤过程进行数值模拟,并通过理论分析和试验,验证SPH算法在模拟平面刀切削土壤过程方面的可行性。结合MAT147土壤材料模型,SPH算法及点-面侵蚀接触,运用ANSYS/LS_DYNA软件对平面刀切削土壤过程进行有限元分析。仿真结果表明,SPH算法能够直观模拟平面刀切削土壤整个过程,最大等效应力为5.851 MPa,主要集中在与平面刀接触的土壤上;平面刀切削全过程表明,土壤所受等效应力波动较小,切削过程比较平稳;稳定切削时切削功耗在10.2 kW附近波动,通过理论和试验验证,仿真切削误差不大于0.05。由此说明SPH算法进行平面刀切削过程的数值模拟是可行的。     

土壤直剪试验的动力学仿真

采用ANSYS/LS- DYNA仿真软件,利用Lagrange和SPH相结合的方法及修正的Mohr- Coulomb屈服准则,建立土壤直剪系统可视化仿真模型,进行4种土壤直剪动力学仿真试验,通过回归分析建立了土壤剪切强度与剪切速度的数学模型,研究了土壤剪切破坏过程及剪切速度对剪切强度的影响规律及机理.结果表明,土壤剪切...     

基于FEM-SPH耦合算法的土壤切削仿真研究

建立了旋耕刀和土壤的FEM-SPH耦合仿真模型,基于FEM-SPH耦合算法,采用MAT147土壤材料和国家标准Ⅲ型旋耕刀,结合LS-DYNA971求解器,对土壤切削仿真进行了研究。对旋耕刀切削土壤的耕作过程进行了数值仿真模拟分析,得到了切削力和切土能耗随时间的变化曲线;计算出旋耕刀单刀切土扭矩为8.75N·m,与试验结果接近。通过正交试验分析,耕作深度为主导因子,对切土功率影响较大,调整耕作深度可有效降低土壤切削的功耗,提高耕作效率。研究表明:FEM-SPH耦合算法可有效应用于土壤切削仿真,可为研究土壤的破碎机理和耕作器具的优化设计提供理论依据。     

振动深松铲土壤切削有限元模拟分析——基于ANSYS/LS_DYNA

为了分析振动式深松机在耕作过程中深松铲与土壤之间的相互作用关系,首先研究了国内外采用有限元分析方法研究土壤切削问题的工作进展情况。为揭示振动深松减阻本质,借助ANSYS/LS-DYNA971软件,构建了深松铲和土壤的有限元仿真模型,并选用MAT_FHWA_SOIL和线弹材料分别作为土壤和深松铲的材料模型。将UG中的运动仿真数据作为深松铲载荷数据,通过Excel文件导入,对深松铲切削土壤的工作工程进行模拟,得出了深松铲切削土壤过程功耗的变化和深松铲在工作过程的等效应力(von Mises stress)情况,为深松铲结构参数的优化提供了依据。     

链式深耕机刀具切削土壤数值模拟

为解决南方山区地形复杂问题,研制了一种小型履带式链式深耕机,设计要求是要达到耕深25cm。为此,应用有限元分析理论及Solid Works建立刀具模型,导进ANSYS/LS-DYNA软件中,创建了土壤的几何模型,然后运用该软件对单个刀具切削土壤过程进行数值模拟,旨在揭示单个刀具-土壤的工作机理。同时,对其切削力以及切削深度进行了分析,验证了所研制出的深耕机可以满足25cm的设计耕深要求,而且得到一个周期内刀具切削土壤的Von Mises Stress等效应力云图,为分析切削力及深耕机刀具与土壤相互作用的数值模拟方面的研究提供了参考。     

基于SPH算法的深松铲土壤切削过程仿真及试验研究

为探明深松铲土壤切削过程中切削阻力的变化规律和了解深松铲切削土壤过程情况,基于SPH方法建立了深松铲土壤深松的有限元模型,并对其深松过程进行仿真分析。仿真结果表明:SPH法能够直观地模拟深松铲土壤切削完整过程,最大等效应力为3. 184MPa,主要集中在与深松铲接触土壤上,仿真切削阻力为3.65 k N。通过耕整地移动式田间动态试验台进行田间试验验证,得出切削阻力为3. 542 k N,与仿真结果相比误差仅为3. 05%,验证了基于SPH法进行深松铲切削土壤过程的仿真是可行的。     

基于土壤分层的木薯块根拔起系统动力学仿真模型

针对土壤采用整体建模方法建模,木薯块根拔起过程动力学仿真精度受限及耕作层表土材料建模参数测定困难的问题,采用物理试验、FEM和光滑粒子流体动力学方法 (Smoothed particle hydrodynamics,SPH)的耦合方法,建立土壤硬度测试系统动力学仿真模型,对木薯种植地耕作层土壤建模材料参数弹性模量进行了反求。同时,建立了基于土壤分层的木薯块根拔起系统动力学仿真模型,且和采用整体建模方法建立的木薯块根拔起系统动力学仿真模型进行了精度比较。结果表明:建模材料参数弹性模量的反求方法有效,基于土壤分层的木薯块根拔起系统动力学仿真模型精度高。     

新型无叶粉垄刀具仿真设计研究

针对粉垄刀具作业功耗和切削阻力大及耕后表层土块大的问题,设计了一种新型无叶(螺旋叶片)刀具,采用SPH法建立3种线型新无叶刀具作业系统仿真模型,进行作业性能对比分析,优选一种线型新刀具,并与原刀具进行对比,且对优选新型无叶刀具作业过程进行分析。研究结果表明：与原粉垄刀具相比,新刀具功耗减少了8.4%,表层土壤破碎度减小了43.3%;新刀具作业后土壤表层破碎度较高,主要是由于新刀具耙齿切出细长条的土块后,土块可受到上层外部刀片和相邻刀具的上层外部刀片交错切削;刀具的切削阻力受外部刀片数量和分布、耙齿的宽度及底刀的结构等因素影响较大。研究结果可为粉垄刀具减阻优化提供理论依据。     

基于ANSYS/LS-DYNA旋耕刀具的土壤切削数值模拟

本文运用Creo Parametric 2.0对多功能耕作起垄机旋耕刀具进行有限元建模,并通过ANSYS/LS-DYNA对旋耕刀具切削土壤进行显示动力学分析,探讨了旋耕起垄复合刀具的切削过程,分析了旋耕刀具的力学特性及切削土壤时功耗的大小,旨在揭示旋耕刀具切削土壤的工作机理,为多功能起垄机的动力选型和结构参数的优化设计提供科学依据。     

基于ANSYS/LS——DYNA的旋耕刀强度和功耗研究

目前,旋耕刀的功耗研究主要基于ANSYS/LS—DYNA进行,旋耕刀强度分析则主要通过静力学分析完成,这与刀具实际工作时的受力状态仍有一定的差距。因此,为同时得到旋耕刀切削土壤过程中刀具应力的动态变化、刀具切削力及切土功率,利用ANSYS/LS—DYNA,采用单元组合法,对旋耕弯刀切削土壤的过程进行数值模拟。数值仿真结果表明:切削过程稳定进行时,刀具所受应力最大值为5.67×10~8 Pa,刀具与刀座的连接处容易产生应力集中,刀具的最大切削力为433.9N,由刀具转动时受到的最大扭矩求得切土峰值功率为1.66kW,与理论分析得到的刀具切削力和切土功率相近。研究结果为旋耕刀的结构参数优化设计提供指导并为旋转耕作类机械切削土壤的数值模拟仿真提供参考。     

土壤旋切振动减阻的有限元分析

提出了一种对旋耕机具施加振动载荷进行压实土壤切削减阻的方法。对板结土壤参数进行土壤三轴测试试验,结合LS—DYNA的MAT147材料模型,测试土壤材料模型参数,并建立了南方丘陵地带板结土壤本构模型及土壤振动旋切过程的有限元数值模型。通过三维数值模拟和计算,分析了外加激励的振型、频率及振幅等因素对土壤切削阻力的影响及变化规律,并得到实现最优减阻效果的各项参数组合。研究结果表明,采用振动旋耕机具进行土壤作业过程中,选择合适振动频率、幅值以及振动类型的外加刀具振动能实现土壤耕作减阻,有效降低机具的土壤切削功率。     

土壤切削大变形的三维数值仿真

对近年来有关土壤切削仿真的研究进行总结，并介绍自适应网格划分、ALE以及SPH等3种解决大变形的方法；在此基础上，针对一个简化的切削模型，对3种方法进行土壤切削仿真的结果进行分析和比较；最后着重以某室内模型盾构刀盘刀具和上海地区软粘土，利用ALE方法进行盾构刀盘刀具的大规模三维切削仿真分析。仿真计算基于LS—DYNA970 MPP软件和“曙光4000A”超级计算机，结果表明，3种不同的方法在解决土壤切削大变形时各有特点，其中ALE方法在更为细致的软粘土盾构三维开挖仿真中得到的结果与试验数据较为一致。     

一刀切断甘蔗动力学仿真试验

采用ANSYS/LS-DYNA显式动力学仿真软件,建立甘蔗-切割器系统的动力学仿真模型,且进行了甘蔗切割物理试验验证。利用四因子二次通用旋转组合设计方法和甘蔗-切割器系统仿真模型进行一刀切断甘蔗的仿真试验,建立影响因素与切割力和剪应力的数学模型,研究了切割力和剪应力各影响因素及其交互作用的影响规律,且对影响因素进行优化,获得了一刀切断甘蔗时可靠性为95%的最佳切割力总区间。结果表明,刀片刃角为17.5°,切割角为27.73°,刀盘倾角为28°,切割速度为16 m/s时,可靠性为95%的最佳切割力范围为235.82~297.98 N。     

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。     

螺旋刀具土壤切削过程模拟分析——基于ANSYS/LS-DYNA971

根据立式螺旋开沟机的工作特点,在ANSYs中建立了螺旋刀具切削土壤的有限元模型,并运用显式动力分析程序LS-DYNA97l对螺旋刀具土壤过程进行了数值模拟分析,分析结果与实际工作情况吻合,得到了切削过程中土壤的等效应力分布情况.结果表明,土壤在切削时,主要受到刀具挤压和剪切破坏.当切削力升高到土壤破坏强度时,土壤迅速失效,为揭示土壤切削状态和开沟机优化设计提供了依据.