基于离散元法的弧形深松铲工作过程仿真分析

土壤在切土部件(如推土机铲板、深松铲等)作用下,将发生破裂和翻转移动等动态行为。这一动态过程的力学机理非常复杂,且与土壤物理属性、切土部件形状等因素密切相关。欲获得土壤在外力作用下的破碎、运移规律,以及土壤作用于切土部件的工作阻力,尽而求得对土壤作业部件的曲面形状的改进,都需要充分理解切土部件与耕作土壤相互作用的动态过程,分析切土部件的受力状态和土壤的变形、失效和破碎机理。 本文以弧形深松铲与受耕土壤为研究对象,采用三维离散元法仿真分析弧形深松铲在工作过程中受到的工作阻力。主要研究内容和结论如下： 1)首先对土壤的物理力学性能进行测试,包括土壤质地、坚实度、含水率、粘结力、容重等,得到仿真所需土壤性能参数。 2)对不同后掠角度(400、500和600)的弧形深松铲工作阻力进行室内土槽试验,得出以下结论：①在深松深度、土壤含水率一定的情况下,弧形深松铲的工作阻力与工作速度成正比,即工作阻力随工作速度的增加而增大；②在土壤含水率、工作速度一定的情况下,弧形深松铲受到的工作阻力与深松深度呈线性关系,随着深松深度的加深,工作阻力越来越大；③在深松深度、工作速度一定的情况下,弧形深松铲受到的工作阻力随含水率的增大而越来也大；④经过对试验数据进行分析得出,深松深度对弧形深松铲的工作阻力影响最大,其次为含水率,再次为工作速度。 3)基于离散元法的基本理论方程,通过试验测定土壤的粘结力,选用Hertz-Mindlin粘结模型与API颗粒替换法相结合的方法,作为离散元接触力学模型。 4)应用三维离散元软件对不同后掠角度(400、500和600)弧形深松铲的工作过程进行仿真模拟,并将模拟结果与试验结果进行对比分析。结果表明,模拟曲线与试验曲线基本趋于一致,后掠角为400弧形深松铲的工作阻力误差范围为9%～21%,后掠角为500弧形深松铲的工作阻力误差范围为10%～17%,后掠角为600弧形深松铲的工作阻力误差范围为10%～22%。也说明采用离散元法分析弧形深松铲的工作过程是可行的。