微耕机刀辊切土动力学建模及仿真

微型耕耘机(又称微耕机)具有体积小、重量轻、操控方便和易于移动等优点,适宜于丘陵山地、小面积田块和温室大棚作业,在我国应用广泛,对促进我国丘陵山区耕作机械化水平的提高起到十分积极的作用。微耕机将动力最终传递给旋耕刀辊,旋耕刀辊与士壤间相互作用,实现碎土和翻士并改变士壤结构,消灭杂草等功能,同时实现微耕机前进。由于士壤具有多相、松散和物性分散的特性,运用传统的实验方法很难定量的描述旋耕刀辊的耕作性能。通过计算机数值模拟旋耕刀辊切土,可以方便、快速地模拟旋耕刀辊的切土过程、虚拟定量的分析旋耕刀辊的切士功率,为旋耕刀辊的结构优化设计和刀片的排列方式等提供理论依据。 本文主要以南方丘陵地区使用的微耕机为原型,针对南方土壤特点建立有限元模型,运用光滑质点流体动力学SPH对旋耕刀辊切削士壤过程展开数值模拟,并将模拟仿真数据与理论数据进行对比,为微耕机整机以及机械零部件的优化设计提供了理论依据。论文的主要工作包括： (1)运用三维建模软件PRO/E对旋耕刀及旋耕刀辊进行三维实体建模,以LS-DYNA的前后处理器LS-PREPOST为基础,定义土壤有限元参数和土壤特性参数,建立土壤SPH模型。 (2)运用有限元分析软件ANSYS对旋耕刀进行静力分析,找到旋耕刀受力时的应力应变集中和分布情况。 (3)通过对不同弯折角度和不同刀身宽度的旋耕刀进行静力分析,得到在不同情况下旋耕刀的应力应变变化规律。 (4)通过分析旋耕刀辊的工作特点,结合弹塑性理论,建立适合于有限元计算分析的仿真模型,采用Drucker-Prager1(?)线性弹塑性模型模拟土壤的切削过程,得到土壤切削过程中土壤和旋耕刀辊的应力分布、切削阻力和功率。 (5)通过对功率消耗的分析和计算,与按照切削参数计算得出的理论值相对比,验证了模型和仿真的适用性。