基于亚塑性本构模型的土壤-触土部件SPH互作模型

触土部件是农机的主要组成部分,高精度的土壤-触土部件互作模型对农业耕作触土部件的节能优化设计具有重大意义。为提高土壤切削过程数值模拟的精确度,该研究基于光滑粒子流体动力学（Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH）框架,从土壤亚塑性本构模型出发,结合土壤-触土部件接触模型,提出一种土壤-触土部件互作模型。通过砂土坍塌试验和土壤切削试验,对比分析了模拟仿真和物理试验中砂土自由表面演变、内部应力变化、土壤静止和运动分界面形态以及粒子位移。在此基础上对4种不同形状刀具的土壤切削过程进行模拟,以土壤切应力、位移分布表征刀具在切削过程中对土壤的破坏情况,讨论了大半径抛物线型刀具切削过程中的土壤粒子速度场,并得出不同形状刀具切削阻力的变化规律。结果表明,刀具水平切削阻力的模拟值和试验值平均相对误差为9.885%,说明所提模型对刀具水平切削阻力的预测精度较高。研究结果可为土壤-触土部件互作模型的建立提供新的思路,为触土部件的优化设计提供参考。     

库岸滑坡涌浪二维光滑粒子动力学数值模拟

库岸高速滑坡产生的巨大涌浪常常导致严重灾难.建立了高速滑坡块体运动全程预测模型,对滑坡冲击产生的水体运动,则根据可压缩流连续方程和Navier-Stokes方程由SPH法(光滑粒子动力学法)求解.对SPH法的基本原理、核函数及控制方程离散格式、边界处理方法等进行了介绍.在此基础上结合滑坡体及水体的运动变形,建立了涌浪SPH立面二维数值模型,将所得初始涌浪高度、波浪爬坡高度与其他理论方法得到的结果进行了比较.结果表明该方法能够模拟滑坡涌浪运动过程,SPH法适于模拟具有瞬时大变形等物理力学问题.     

土方作业动态切削的可视实时仿真

针对液压挖掘机驾驶模拟器土方作业仿真中缺乏时变负载——土壤切削阻力,基于Delta3D视景仿真引擎和多体动力学实时交互软件Vortex搭建了系统软件框架,实现了挖掘机车辆动力学特性的真实模拟,并建立了铲斗与土壤的交互仿真平台。根据挖掘机铲斗的实际作业情况,将土壤假定为刚塑性体,并引入地形倾角、加速力、土壤对铲斗侧面摩擦力等参数,推导并修正了Reece提出的土壤切削基本方程,实现了土方作业中土壤动态切削的可视实时仿真。将模型导入到某驾驶模拟器中,进行3次交互作业,获得了土壤相对于铲斗的切削阻力,并对影响切削阻力的因素进行了分析。仿真平台逼真度高、交互性强,实现了铲斗与土壤交互作业具有物理学行为的拟实模拟,可为操作培训人员和产品开发人员提供可视化和交互性的手段,提高培训效果和产品开发效率。     

基于ALE有限元仿真的土壤切削振动减阻

针对浙江省茶园土壤压实问题造成小型茶园作业机功率不足问题,提出了茶园振动深松的土壤作业方法。以浙江龙井茶园压实土壤为分析对象,针对土壤深耕铲-土壤切削过程的动力学数值仿真,建立了土壤静态切削力学模型,并进行了土壤大变形切削的屈服失效分析。采用ALE算法模拟了土壤静态切削中深耕铲的切削阻力变化情况,建立了深耕铲-土壤的三维有限元模型并分析了振动切削的振动类型、频率、振幅以及深耕铲的前进速度对土壤切削阻力降低的关系,得出了振动频率和振幅对切削力的影响规律。进一步研究了不同的振动切削条件下,振动类型和刀具的切削速度对切削阻力的影响,通过合理选取一定的深松铲外加振动激励的振幅和频率能够得到最小的切削阻力,实例分析证明,振动频率取为25?Hz,振幅为14?mm时,振动切削的插入阻力能达到最小,切削阻力能降低约22%。上述研究结果为土壤振动切削减阻的外加振源参数优化提供了设计依据。     

耕作土壤应力波波速的测定及其在土壤高速切削中的应用

本文研究了用间距为l_2两点瑞利波脉冲响应的互相关或互谱相位求耕作土层应力波速的方法。用此法测定了几种土壤的应力波速,所测结果在土壤高速切削机理研究中得到应用。     

采用SPH方法的黏土切削特性分析

黏土在切削破坏过程中力学特性复杂。为较精确地描述黏土切削破坏过程与预估切削阻力，该研究基于弹塑性力学本构，建立了光滑粒子流体动力学（SPH）框架下的黏土剪切破坏模型和Grady-Kipp张拉损伤破坏模型，并进一步将其耦合得到混合破坏模型。为验证该混合破坏模型开展了简单的黏土切削破坏试验，切削破坏变形的试验结果与模拟结果展示了良好的一致性，裂纹发展方向和裂纹形状有着良好的对应关系。在土-切削部件互作模型的基础上，进一步预测了黏土切削破坏过程中切削部件的切削阻力演化过程，并分析了切削深度及切削部件摩擦系数对黏土切削破坏形态和切削阻力的影响。结果表明，切削深度为0.01、0.02和0.03 m时对应的切削阻力峰值分别为7.89、9.90和11.07 N，切削阻力随切削深度的增加呈增大趋势。切削部件摩擦系数为0.1时对应的波动平缓后的切削阻力最小，为6.1 N。研究可为优化农业机械刀具的结构参数、运动参数，降低作业功耗，减少切削阻力，实现更好的黏土耕作效果提供参考。     

基于ANSYS/LS-DYNA的螺旋刀辊土壤切削有限元模拟

为揭示秸秆还田耕整机的螺旋刀辊与土壤之间的关系特性,根据螺旋刀辊切削土壤的工作特点,利用ANSYS/LS-DYNA971软件对螺旋刀辊土壤切削过程进行模拟,得出了螺旋刀辊切削土壤的功率消耗、切削阻力的大小以及土壤等效应力的变化规律.模拟结果表明,螺旋刀辊转速为300 r/min,机组行进速度为1.1 m/s 时,单组螺旋刀辊切削土壤的最大功耗为6.4 kW,最大切削阻力为2820.7 N,且土壤最大等效应力发生在横刀刚入土时的内侧面,所得功耗值与经验推导值相符.研究结果为双轴型水田高茬秸秆还田耕整机的系统参数优化设计提供参考.     

基于键合图的电动汽车驱动系统建模与仿真

该文阐述了键合图理论的基本原理,并根据电动汽车纵向运动时传动系统各单元的动态特性及其相互作用的工作原理和结构特点,运用键合图理论构建出电动汽车电机驱动系统的键合图模型,并推导出该系统的状态方程,应用Matlab仿真软件对建立的数学模型进行仿真分析.仿真结果表明:键合图法是一种对系统进行动态数字仿真时有效的建模工具,应用该理论对系统进行仿真能较好地反映系统的动态特性和整车性能,并可以利用仿真结果来检验动力系统的参数选择是否合理,以此作为对参数进行修改的依据.     

蝼蛄前足爪趾三维几何构形的减阻机理

触土部件的阻力直接影响耕作机械和工程机械的作业效率,该研究利用工程仿生设计方法,基于蝼蛄前足爪趾优异的地下掘进能力,提取前足爪趾的三维几何构形特征用于仿生试件设计,通过土槽切削阻力试验和有限元模拟,分析蝼蛄前足爪趾几何构形的减阻性能和机理。研究结果表明,前足爪趾的构形特征对切削阻力有显著影响（P<0.05）,仿生试件的切削阻力较楔状体试件最高可降低56.96%,三维仿生构形的减阻性能优于一维和二维构形。蝼蛄前足爪趾构形能使被切削土壤沿挖掘面顺畅移动,避免了土壤在仿生试件尖部的堆积和对中后部的挤压,实现切削阻力的减小。该基于蝼蛄前足爪趾的工程仿生研究可为耕作和工程机械触土部件的减阻设计提供理论基础。     

基于堆积试验的黏壤土仿真物理参数标定

为获取南方黏壤土的离散元仿真模型精准接触参数,构建土壤离散元仿真模型,基于土壤堆积试验,结合试验测定和EDEM软件推荐的参数构建土壤仿真模型,以休止角为响应值,采用Design Expert软件依次设计Plackett-Burman试验、最陡爬坡试验和Box-Behnken试验完成土壤仿真物理参数标定及优化。进一步通过成穴装置成穴的仿真试验与土槽试验的对比分析,验证黏壤土仿真模型的精准性。成穴试验的仿真与土槽试验结果表明,装置在仿真土壤中运动规律与土槽试验中差异较小,成型穴孔的开口纵长和有效深度的误差分别为3.98%和1.87%,模拟仿真土壤的物理力学特性与实际土壤一致,表明黏壤土的离散元仿真参数系统标定研究的方法准确可行。研究构建了南方黏壤土精准的离散元仿真模型,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。     

旋耕刀三向工作阻力试验及作业参数优化

以普通C型旋耕弯刀为研究对象,分析了影响刀具三向工作阻力的作业因素,确定了刀具弯折角A、刀具幅宽B、耕深C、相位角D、前进速度E等主要试验因素,以单位幅宽工作阻力为试验指标.在试验土槽模拟南方红壤黏土环境,进行L18(37)正交试验,对试验结果进行极差分析、显著性检验、k值分析及线性回归建模.结果表明试验因素对单位幅宽前进阻力影响主次顺序为C、B、D、A、E,其中B和C影响等级相当,A和D影响等级相当,B、C影响具有显著性(P<0.05);对单位幅宽垂直阻力影响主次顺序为A、C、D、B、E,其中A、B、C、D影响等级相当,具有显著性(P<0.05);对单位幅宽侧向阻力影响主次顺序为D、C、A、B、E,其中C、D、A影响等级相当,但不具显著性;综合分析得最优工作组合模型为弯折角120°,刀具幅宽80 mm,耕深80 mm,前进速度0.5 m/s.田间旋耕对比试验表明:采用优化组合模型时,手扶式旋耕机的刀轴转矩、振幅分别降低了12%和21%,整刀磨损量增加,但单位幅宽磨损量却降低了16%,碎土率和耕深稳定系数均有所提高.该研究为降低旋耕机作业能耗、减少刀具磨损及提高机具稳定性提供参考.     

斜置潜土逆转旋耕抛土仿真及试验

斜置潜土逆转旋耕是一种新的旋耕方式,研究其抛土机理对于优化设计斜置潜土逆转旋耕机有重要意义。该文在 LS-DYNA 平台上建立了斜置逆转旋耕抛土 SPH(smoothed particle hydrodynamics,即光滑粒子流体动力学方法)仿真模型,通过该模型对不同工况下的斜置潜土逆转旋耕抛土模拟仿真,得出了不同参数条件下斜置逆转旋耕时不同层的后抛土率,将相同条件下仿真得到的不同层的后抛土率和室内土槽试验得到的不同层的后抛土率进行了对比分析,验证结果表明,最大仿真误差为 12.50%,最小仿真误差为 0.20%,平均误差为 3.09%。应用校正的仿真模型,以斜置角、前进速度、潜土深度以及刀辊转速作为试验的 4 个因素,并对每个因素取 3 个水平,以后抛土率为试验指标,进行了斜置潜土逆转旋耕抛土虚拟正交试验。采用极差分析法、方差分析法以及回归分析法对试验结果进行了分析,数据分析结果表明,影响后抛土率的主次顺序依次为潜土深度、斜置角、前进速度和刀辊转速,后两者对后抛土率影响不显著,并且得出了潜土深度、斜置角与后抛土率的数学关系模型。根据虚拟试验结果优化了斜置潜土逆转旋耕机物理样机并且进行了田间试验,田间试验结果表明,斜置潜土逆转旋耕成功解决了旋耕机支架和中央传动箱体潜土的难题,并且用 R175 标准旋耕刀达到了 20 cm 的耕深,实现了短刀大深耕。     

犁翻旋耕复式作业耕整机的设计与试验

为了满足稻麦轮作耕作方式的整地需求,设计研制一款集翻耕、旋耕、秸秆粉碎还田等多道工序的犁翻旋耕复试作业整地机械。根据机器复试作业的特点,设计过程重点考虑犁耕与旋耕作业之间的交互作用,将旋耕机架整体向右侧偏置210 mm,且左、右旋耕刀辊内侧旋耕刀至副减速箱距离均为50 mm。根据实际田间作业情况,应用 EDEM 仿真软件进行虚拟田间作业仿真,仿真结果表明：碎土率为91.4%,地表平整度小于20 mm。在设计与仿真的基础上,进行田间试验,设计一组先犁耕后旋耕作业试验与犁旋耕整机复式作业相对照,田间试验表明：犁旋耕整机作业后,耕宽、耕深、地表平整度分别为1.98 m、21.6 cm、1.87 cm,耕深稳定系数、耕宽稳定系数、碎土率、植被覆盖率均达到90%以上,各项指标均优于二次整地模式,且在油耗、生产率指标上远远优于后者。该研究为复式整地机械的研制及交互性设计提供参考。     

天然草场改良用振动式间隔松土机作业机理

为了提升草地振动式间隔松土机的作业性能,需要对机具的作业机理进行研究。通过对机具的工作单体进行运动仿真分析,探讨了松土部件在强迫振动作用下对草耕层土壤的破碎机理。通过分析得出松土部件的工作过程为切削土壤和抛起土壤两个交替作用的阶段,在松土作业过程中,松土部件既有挤压松土又有振动松土,土垡因受剪切、弯曲和拉伸等作用得到松碎,松土部件产生与松土铲切削方向呈一定角度的振动有利于土壤疏松和降低机具的牵引阻力。     

旋耕-碎茬仿生刀片田间作业性能的试验研究

为检测旋耕-碎茬仿生刀片的田间作业功耗和作业质量,利用应变片型扭矩传感器对安装仿生刀片的两行耕整机进行田间作业功耗电测试验,依照国标测试方法测定作业质量,并与国标旋耕刀和常用碎茬刀进行了对比。田间试验结果表明:旋耕试验中,旋耕-碎茬仿生刀片的单位切土面积功耗小于国标旋耕刀,且作业质量优于国标旋耕刀;碎茬试验中,仿生刀片单位切土面积功耗小于常用碎茬刀,作业质量较碎茬刀稍差,但依旧满足国标要求。该研究工作为实现只应用一种刀片来完成旋耕和碎茬2种不同作业的目标提供了参考。     

杆齿式残膜回收机卸膜过程分析及高速摄像试验

为解决残膜回收中卸膜不可靠、卸膜率低的问题,基于MB(Majumdar-Bhushan)接触分形理论,分析杆齿式残膜回收机卸膜工作过程中拾膜杆齿和卸膜刮板间的接触载荷与形变量的关系及其动力学影响因素。运用ANSYS软件对拾膜杆齿和卸膜刮板的接触过程进行仿真分析,并通过高速摄像试验追踪了拾膜杆齿末端的运动轨迹,测量卸膜过程中拾膜杆齿与卸膜刮板前端的最大形变量。结果表明,当拾膜机构转速为36 r/min时,拾膜杆齿和卸膜刮板前端的最大形变量分别为15.741、49.733 mm;当机具行进速度为0.85 m/s且机具行进速度与拾膜杆齿轴线速度比为1.5时,机具有较高生产效率,能保证可靠卸膜。该研究结果可为拾膜、卸膜机构的运动参数优化提供参考。     

基于旋耕覆土的冬小麦基肥分层定深施用装置设计

针对中国黄淮海地区冬小麦主产区基肥的无序、过量施用和利用率低等问题,该文在基肥分层施用农艺研究基础上,基于旋耕机覆土原理,提出了土壤后覆盖方式下的冬小麦基肥精准分层定深投送方法,并设计了冬小麦基肥分层定深施用装置,该装置可一次完成旋耕、分层施肥和镇压作业。其中旋耕机构配备变速齿轮传动箱,可以进行高、中、低3种转速之间的转换,选用国标IT245型号旋耕刀,在刀辊上按对称螺旋线布置;肥料分层投送机构配深层和浅层排肥管,用于深层和浅层肥料的投送作业。在北京小汤山精准农业示范基地进行了装置的田间作业性能试验,结果显示:装置在120、150和180 mm的3种耕深作业工况下,耕深最大误差为5 mm,耕深稳定性系数最小为93.84%,满足旋耕机构的作业性能技术要求;设置浅层和深层肥料的目标施用深度分别为80和150 mm,实际肥料施用深度稳定性系数分别为92.38%和95.11%、合格率分别为83.33%和90%,满足旋耕施肥装置的作业性能指标要求。该研究可以为冬小麦基肥的机械化精准分层定深施用技术提供装备支撑。     

基于模糊PID控制的玉米精量播种机单体驱动器设计与试验

为提升新疆地区玉米精量播种机作业效率、稳定高速工况下播种质量，该研究以气吸圆盘式玉米排种器为研究对象，设计了一种基于模糊PID控制的玉米精量播种机单体驱动器。基于电机驱动排种控制系统硬件构成及工作原理，搭建了以STM32F103C8T6单片机为核心的功能电路。该单体驱动器工作时，由霍尔传感器采集播种机的作业速度，通过高精度光电旋转编码器实时反馈电机转速，利用增益调整型模糊PID算法使调速系统根据转速偏差和偏差变化率实时修正PID控制参数，使电机转速快速精准地跟随作业速度的变化。通过转速控制特性试验可知：脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation, PWM）频率为60 kHz时，电机具有良好的启动特性；电机转速在307～10 441 r/min范围内，电机实际转速变异系数均小于6.29%，具有较好的稳定性和线性度。电机调速试验结果表明：在设定电机目标转速为1 500 r/min时，模糊PID调速系统相比传统PID调速系统超调量降低0.4%，上升时间和调节时间分别缩短0.12和0.49 s，稳态误差减小0.3%；在种床带速度反馈周期T=1.0 s时，模糊PID动态调速精度较高、鲁棒性好。电机驱动排种台架试验结果表明：作业速度为8、10 km/h时，两种控制方式的播种性能指标差异较小；作业速度为12 km/h时，模糊PID控制的播种合格指数大于93.04%，重播指数小于5.13%，漏播指数小于1.83%；与传统PID控制方式相比合格指数均值提高2.50个百分点，重播指数均值降低0.85个百分点，漏播指数均值降低0.88个百分点，各播种性能指标均优于传统PID控制方式，适于高速播种作业。研究结果可为玉米高速精量播种机的研发设计提供参考。     

甘蔗螺旋扶起机构的理论研究及虚拟样机仿真

根据田间生长的甘蔗实际状况和固有的力学性能，用系统动力学的观点，建立了田间生长的甘蔗力学模型。基于该模型，探讨了扶起搅龙与甘蔗的作用过程以及其对收获过程的影响。对扶起搅龙的工作过程进行了虚拟仿真研究以及高速摄影试验，从理论上解释了仿真和试验结果。该文的研究为扶起搅龙的改进设计提供了理论依据。