基于土壤力学模型的深松铲有限元分析与结构优化

耕地作业是农业生产中的一个非常重要的环节，也是消耗机械能最多的环节之一，耕地时克服牵引阻力消耗的能量占田间作业总能量的40%-60%。优化耕作方式，改进机械结构，降低牵引阻力，将有效地降低农机功耗，对我国的机械化农业生产起到积极的推进作用。 深松铲是深松机的核心部件，其结构形状对土壤牵引阻力的大小有重要影响，本文针对深松铲结构进行了如下研究： 1.基于已有的三面楔力学理论，分别对深松铲的铲刀和铲柄部分进行受力分析。从理论上得到合理的铲刀模型。用Pro/E软件建立了仿生深松铲和机标深松铲的实体模型，以四川土壤为例构建了Drucker-prager弹塑性本构土壤模型。 2.从家鼠爪趾和金龟子的仿生学研究入手，优化深松铲的曲线。通过盲人探路优化设计方法，改进深松铲横截面曲线的参数，计算出四川土壤条件以及耕作速度在4.8km/h条件下的最优横截面。 3.在有限元软件ABAQUS中进行了深松铲与土壤相互作用的有限元分析，得到各个方向上的牵引阻力和土壤应力。分析表明，仿生深松铲牵引阻力合力比传统的深松铲减少了20.36%，两侧方向受力减少了90%。而且耕作速度对深松功率的影响较低。 4.耕作条件对牵引阻力的影响很大，为了一定程度上适应不同耕作条件，依据分析得到的牵引阻力以及猫科动物爪趾伸缩结构，设计了可调整切削角度和深松深度的新型深松铲。