基于SPH算法的微耕机旋耕刀有限元仿真与优化

微型耕耘机(微耕机)具有体积小、重量轻和操纵使用方便等优点,适宜在丘陵山地小面积田地作业,在我国有着广泛的应用前景。微型耕耘机的动力最终传递给旋耕刀,使旋耕刀与土壤间相互作用,实现翻士和碎土并改善土壤结构、消灭杂草、覆盖残茬以及改良土壤。因此,为了获得理想的翻土、碎土和混土性能,并减小旋耕阻力,必须对旋耕刀的结构参数和工作参数进行理论分析和优化设计。 本论文以重庆市土壤为例,运用光滑质点流体动力学SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH)算法以及有限单元法开展了旋耕刀切削土壤数值模拟仿真。研究主要内容如下： (1)运用有限元分析软件ANSYS对旋耕刀进行了静力分析。得到了旋耕刀受力时应力最大值在刀柄与侧切刃连接处、旋耕刀最大变形发生在正切部。 (2)运用SPH算法和显式非线性有限元分析软件,采用MAT 147土壤材料模型,模拟了旋耕刀切削土壤过程,得到了切削过程中旋耕刀和土壤的应力、切削阻力以及功耗曲线。 (3)对比分析了旋耕刀运动速度、耕作深度以及工作幅宽对功耗的影响,列出了旋耕刀结构和运动参数表。 (4)通过旋耕刀切削土壤过程模拟,分析了不同弯折角对功耗的影响,并在旋耕刀刀柄和侧切刃连接处添加了对称过渡圆角,降低了应力集中,提高了旋耕刀使用强度。 本文采用SPH算法对旋耕刀切削土壤过程进行了数值仿真模拟,研究了土壤SPH粒子在旋耕刀片作用下破坏过程,得出了在切削过程中土壤和旋耕刀的等效应力和应变规律,分析了旋耕刀在不同条件下切削土壤的功率对比。研究结果表明,依据微型耕耘机额定功率,选择合适的旋耕刀结构参数和运动参数,可有效提高微型耕耘机的工作效率。