有限元法在土壤切削过程模拟中的应用

介绍了土壤切削和有限元法的基本概念,探讨了国内外学者使用有限元法模拟土壤切削过程的进展情况,总结了有限元法在土壤切削过程模拟中遇到的问题.同时,提出了应加强对有限元法在多参数交互、有秸秆混合的复杂土壤条件下的切削过程模拟的研究.     

推土铲切削性能的二维有限元分析

研究切削性能更为优良的推土铲对减小推土机工作阻力意义重大。本文运用二维有限元方法对推土铲-土壤接触系统进行了研究,分别分析了平面应变问题(宽齿切削问题)和平面应力问题(窄齿切削问题)中土壤所产生的应力及应变分布状况;对比了它们在两类平面问题中的差异。对比结果表明两者相差很小,从理论上讲,对于本文所分析的触土面导线线型而言,其在宽、窄齿土壤切削部件上的应用基本可以互换。     

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.     

东北壤土二维切削问题的非线性有限元分析

本文以东北农业土壤为研究对象,对有限元法(Finite Element Method简称FEM)在耕作土壤中的应用进行了探讨。模拟了土壤在简单刀具切削作用下的材料非线性、几何非线性、土壤/刀具的界面作用以及滑移、裂纹等物理力学现象。建立了相应的数学模型并设计出通用的非线性有限元分析程序。电算结果提供了关于土壤的阻力、应力场、位移场、破坏区域、土核以及刀具表面应力分布等问题的详细资料。同时做了各种切削角度的室内切土试验。在前述很多项目上,FEM预测值与实测结果或前人研究结论表现了良好的一致性。表明FEM将为耕作土力学的研究及耕耘工具性能的预测提供一个严格定量分析的适用的理论解决方法。     

枣园施肥机开沟器的设计与有限元分析

枣园开沟施肥是一项繁重的体力劳动,为了把果农从繁重的体力劳动中解放出来,设计了一种微型枣园施肥机的开沟器。开沟器采用双圆盘式,设计开沟深度为300mm,宽度为240mm。利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA对旋耕弯刀切削土壤的过程进行有限元分析,结果表明:在弯刀切削土壤的过程中,随着弯刀与土壤接触面积的不断增大,土壤逐渐被完全破坏并有跟随弯刀运动的趋势;弯刀切削土壤的最大等效应力主要集中在土壤与弯刀内侧的接触处,整个切削过程土壤最大等效应力的波动幅度不大,切削较为平稳。     

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。     

基于LS—dyna的双圆盘开沟器切削过程的仿真

为提高有限元法在复杂土壤环境切削过程的仿真精度,建立接近土壤的实际模型,了解茎秆混合物对切削阻力的影响。本文运用LS—dyna软件对小型手扶式油菜播种机的开沟器切削茎秆和土壤的混合物进行仿真。结果表明:开沟器以0.84m·s-1前进和15rad·s-1旋转时,单个开沟器切削土壤的最大切削力为24.5N;切削茎秆和土壤的混合物时的最大切削阻力为573N。通过理论计算验证仿真的合理性,此研究为油菜播种机参数优化设计提供参考。     

摩擦单元分析三维土壤切削问题

本文介绍一种三维摩擦单元,用以分析土壤切削刀具在切削过程中,土壤与刀具表面的相互作用。并用此单元对窄刀板切削过程进行了计算,同时给出了窄刀板切削过程界面应力的测量结果,对比表明两者具有良好的一致性。     

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SPH/FEM耦合算法的土壤切削仿真与研究

ANSYS/LS-DYNA仿真软件,采用SPH/FEM耦合算法模拟旋转刀具切削土壤作业过程。在Solid Works中建立刀具—土壤模型,用ANSYS/LS-DYNA进行前处理,修改K文件建立耦合模型,在LS-PREPOST中查看LS-DYNA9 7 1求解结果 ,对数据进行二次处理,分析作业过程能耗变化及应力分布,为后期优化刀具提供依据。文中土壤本构模型采用MAT_147(MAT_FHWA_SOIL)材料,对材料屈服准则进行详细阐述,相比标准MohrCoulomb屈服准则,修改后的Mohr-Coulomb屈服准则引入了修正系数Ahyp,分析了Ahyp取值对屈服面的影响,得出Ahyp与土壤内聚力和内摩擦角关系;阐述SPH算法和SPH/FEM耦合算法,分别用FEM算法、SPH算法和SPH/FEM耦合算法模拟土壤切削过程。结果表明:在土壤切削前期,网格没有发生畸变时,3种方法模拟结果相近,随着有限元网格发生畸变,FEM算法产生了误差,验证了SPH/FEM耦合算法在土壤切削仿真过程中的可行性与准确性。     

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。     

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。     

金属切削过程的三维数值模拟

借助有限元计算软件,建立了三维金属切削有限元模型,模拟了新型的Ti(C,N)基金属纳米陶瓷刀具金属切削过程,得到切削力、刀具磨损、切削温度的变化规律,计算出Ti(C,N)基金属纳米陶瓷刀具切削正火态45号钢时的合理前角.通过实验证明了模拟过程的正确性.相对于二维模拟,三维仿真更加真实地揭示了刀具和工件的切削状态.     

甘蔗收获切割系统动力学仿真模型

由于缺少考虑根土因素影响,目前甘蔗收获切割系统动力学仿真模型精度较低。为此,首先以4GZQ-260型甘蔗收获机切割器为研究对象,通过光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics)和有限元方法(Finite Element Method)的耦合方法,建立甘蔗茎秆-根系-土壤-切割器系统动力学仿真模型,通过对茎秆-根系-土壤系统和茎秆-切割器系统动力学仿真模型进行试验,验证所建立的收获切割系统仿真模型建模方法的合理性。结果表明:建立的甘蔗茎秆-根系-土壤-切割器系统动力学仿真模型精度较高,该系统构建方法可用于甘蔗收获切割的动力学仿真研究。     

耕作部件—土壤接触问题研究方法分析

阐述了用有限元法研究耕作部件-土壤接触（以窄齿-土壤接触为主）问题的进展情况，并对人工神经网络以及分形几何在耕作部件-土壤接触问题研究中的应用方式作了初步的设想。     

降雨灌溉蒸发条件下苹果园土壤水分运动数值模拟

根据土壤水动力学原理和果树根区土壤水分运动特点,建立了降雨灌溉蒸发条件下含根系吸水项的二维土壤水分运动数学模型,采用有限元法求解,对降雨灌溉蒸发条件下的地表边界条件进行处理.在田间进行了灌溉蒸发条件下果园土壤水分运动验证试验,采用田间实测土壤含水率分布资料对模型进行验证,结果表明模拟值与实测值吻合较好,所建的根区土壤水分运动模型是正确的,采用有限元法求解是可行的,该模型可用于预测果园田间土壤水分运动.