基于有限元法的螺旋型旋耕刀辊横刀工作机理研究

深入研究土壤切削问题是近三十年来各国农业工程领域的重要课题之一。在研究中通常采用刚体静力学、量纲分析法和塑性极限平衡法对土壤阻力进行预测,取得了一定成果。由于这些方法各自存在局限性,都无法得到完整的定量分析结果。近年来,随着计算机技术的快速发展以及各种有限元软件在工程实际中的应用,土壤切削问题的研究出现了新进展。 论文主要运用有限元法研究土壤切削过程,针对特定粘性土壤,运用有限元仿真技术开展数值模拟,并借助土壤切削试验对仿真结果进行了对比。 (1)通过分析旋耕刀辊中关键部件——横刀切削土壤过程的特点,结合弹塑性理论建立了适合于有限元计算分析的模型。运用Lagrange增量法来处理土壤切削过程中的几何非线性问题;采用修正的Drucker-Prager非线性弹塑性模型模拟了土壤的切削过程,得到了土壤切削过程中土壤和横刀的应力分布、切削阻力和剪切角; (2)窄型横刀完全进入土壤中时,横刀切削阻力随着切削速度的和切削角度的增加而增大,它们之间成非线性关系,切削深度对横刀所受切削阻力影响不显著,切土牵引阻力与切土宽度呈线性关系; (3)通过模拟螺旋型横刀三维切削过程,得出了螺旋型横刀单元的等效应力变化规律及其三个方向的力学特性,为螺旋型横刀结构参数的优化提供依据; (4)当直线型横刀切削速度小于1m/s时,切削角度对切削阻力的影响比切削速度对切削阻力的影响显著,切削深度的对切削阻力的影响不显著; (5)仿真阻力和试验所测切削阻力较为吻合,剪切角和试验剪切角大小较为相似,切削力仿真结果与实验测试阻力结果的相对误差在11%左右,考虑到模型是在一定假设条件下建立的,因此切削阻力的仿真结果是值得信赖的,对运用有限元法研究土壤动力学的问题有指导意义。