基于扩展有限元法的土壤切削模拟

土壤切削是土壤耕作中复杂的动态过程,随着耕作深度、耕作速度、土壤类型及土壤力学性能等的变化而不同。为耕作部件的设计提供相关的技术参数,减小耕作部件的牵引阻力,采用扩展有限元法模拟土壤切削裂纹规律的研究具有重要的理论意义和实际价值。 本文基于土壤的库伦失效本构关系、断裂力学及裂纹扩展理论建立三维土壤耕作切削模型,利用扩展有限元法对耕作过程中的土壤裂纹扩展及断裂情况进行模拟分析。确定土壤类型、建立土壤切削的三维模型、设定土壤特性参数、计算步骤、定义土壤与耕作部件的相互关系及边界约束和荷载,然后进行网格划分,并进行数值模拟。 基于扩展有限元法数值模拟分析耕作过程中的土壤裂纹扩展及断裂情况,得出数值分析的结果与已有土壤切削的实验结果基本一致。根据最大周向应力理论,推导建立最大周向应力与应力强度因子的数值关系,改变不同应力强度因子对土壤切削中的裂纹扩展进行数值模拟,结果表明随着应力强度因子的降低,土壤的抗剪强度随之减小,最大周向应力也相应降低。土壤切削中土壤裂纹起裂角减小,而且裂纹扩展呈现不同的破裂轨迹。当土壤应力强度因子降低到一定范围时,土壤切削时土壤发生水平移动,土壤由脆性逐渐变为流动性。土壤应力强度因子是决定土壤切削裂纹扩展呈不同路径变化的重要因素之一。 数值模拟分析土壤切削裂纹扩展的结果表明：基于扩展有限元法模拟土壤切削能够准确的分析出土壤切削裂纹扩展的变化路径、裂纹扩展长度大小、土壤切削力以及土壤的能量释放率。根据不同土壤应力强度因子对土壤物理特性的影响,进而预测土壤切削裂纹扩展不同路径变化的运动规律。因此验证了基于扩展有限元法在研究土壤切削问题中的可行性,为继续深入开展土壤切削裂纹扩展问题的研究提供一定的基础。