基于土壤动力学的弧形深松铲数字化设计

保护性耕作是一种新型耕作方式,机械化深松是保护性耕作关键技术之一,深松铲作为深松技术的核心部件,从某种意义上来说深松铲的质量标志着深松技术的水平,目前深松机具存在耕作阻力大、深松效果不理想、深松铲强度不够等问题。 传统的农业机具设计开发周期长、成本高,本文另辟蹊径,在机械化保护性耕作深松理论的基础上,针对土壤深松铲作用机理的复杂性和传统农业机械设计的缺陷,在参阅了大量国内外关于机械化深松技术、参数化建模、土壤动力学、仿真技术等相关文献,以减少耕作阻力和抑制深层土壤翻起为目的,主要的研究内容主要包括以下几个部分： 1)结合国内外在深松耕作机理方面的研究现状,运用基于特征的三维参数化实体造型软件Pro/Engineer Wildfire5.0对新型弧形深松铲进行参数化设计,将深松铲三维模型导入到有限元分析软件ANSYS的新一代工作平台ANSYS Workbench中进行有限元分析的前处理工作,即设定材料属性、划分网格、施加边界约束,并对其进行静力分析与模态分析。 2)研究深松土壤的力学特性和物理属性,利用仪器对试验土槽内的土壤物理参数进行测定,以Pro/E为开发平台,建立土壤的实体模型,模型导入到ANSYS Workbench中进行有限元前处理,在大型非线性有限元软件LS-DYNA选择MAT147号土壤材料模型,作为土壤的本构模型,采用无网格法中的SPH(Smooth Particle Hydrodynmics,光滑粒子流体动力学)法分析深松土壤的大变形问题。 3)利用八角环传感器测试原理,测定弧形深松铲在耕深、耕速及弧度角三个因素三个水平的正交试验下所受水平阻力、垂直阻力及总阻力,对正交试验结果进行极差分析与方差分析,得出各因素与指标之间的关系。 新型弧形深松铲结构强能够满足使用要求,优化后的深松铲模型比普通深松铲在相同大小和方向的力的作用下,其最大应力减少了约30%,土槽试验结果显示耕深对耕作阻力的影响最大,其次为耕速,再其次为弧形深松铲的弧度。深松动态仿真结果基本与土槽试验结果吻合,仿真分析与试验所得数据对深松耕作系统的研究具有重要意义。