基于SPH法的板结土壤反旋凿切有限元仿真研究

中国南方山区丘陵地带目前或由于受原始土质条件限制;或由于劳动力流转,对经济作物疏于管理;或过渡依赖化肥,使得土壤有机质含量和含水量较低,土地板结十分严重,严重影响山区丘陵地带的农业发展。因此亟待开发和研制具有切土扭矩小,耕深大,操作平稳的作业机械。 为降低板结土壤深松机具的作业功耗,提出了用于小型作业机的反旋凿切加正旋深耕相结合的耕作机具。针对板结土壤,本文采用有限元法着重分析了反旋凿切刀的设计优化,研究的内容主要包括以下几个部分: 1、结合机械土壤动力学和土壤耕作机械理论的知识,设计出反旋凿切刀,并探讨结构切土角、结构后隙角的取值范围。 2、结合LS-DYNA的MAT147材料模型,建立了南方丘陵地带土壤的材料模型参数及土壤高速切削有限元数值仿真模型。采用ANSYS11.0/LS-DYNA软件,利用SPH法对反旋凿切土壤过程进行了三维数值模拟。 3、借助于正交实验设计和数值模拟技术,进行了反旋凿切刀具刀齿形状的选择、刀尖结构参数的优化、土壤反旋凿切高速切削的有限元数值分析和土壤反旋凿切刀宽与耕深的关系匹配。 本文采用SPH法就板结土壤反旋凿切刀具的优化设计进行了初步探讨。结果表明SPH方法对土壤材料进行大应变、高应变率的变形计算是有效的,在选择合适的刀齿形状、结构切土角和结构后隙角后,进行机组前进速度和凿切刀旋转速度以及凿切刀刀具宽度和耕作深度的合理匹配后,能减低板结土壤耕作的机组功率和提高其工作效率。SPH法在反旋凿切刀优化设计中的应用,为今后正旋深耕刀具的优化设计打下良好的基础。