基于SPH算法的立式小型深耕机刀具设计优化与试验研究

摘要

目前丘陵山地主要使用微耕机进行耕地作业，其实际耕深一般只有10～15cm，长期浅耕已经带来了犁底层加厚、土壤板结、保肥保墒能力下降、蓄水保水能力逐年弱化及病虫害增加等严重问题，农户亟需丘陵山地适用的小型深耕机。立式铣削作业是小型深耕机可采用的有效作业模式之一，立式旋耕刀结构参数和运动参数的取值将直接影响立式深耕机的作业质量好坏和功耗大小。
　　本文根据切削理论和土壤动力学理论，对立式旋耕刀线型进行了设计和仿真分析，以选定范围内的最小整机功耗为目的，对立式旋耕刀具的结构参数和运动参数进行了优化和试验研究。
　　（1）根据土壤动力学、切削学基本理论及经验公式初步设计立式旋耕刀的线型，推导了螺旋刀具的线型方程，并选定立式旋耕刀的结构参数；
　　（2）分析了刀具的运动轨迹，其轨迹为摆线；由土壤动力学和切削学理论分析了立式旋耕模式下土壤粒子的运动轨迹和受力状态，并得到立式旋耕刀的临界角速度关系方程；分别从宏观和微观角度分析了旋耕刀切削土壤的功率消耗情况，其主要影响因素有前进速度、结构参数和旋转速度；
　　（3）采用SPH算法构建符合实际特征的土壤本构模型，并对单个旋耕刀进行动态仿真模拟，分析了旋耕刀切削阻力和功率消耗的变化规律及土壤粒子的运动状态；验证了悬臂梁刀具安装的可行性；进行耕作部件的动态仿真，检验了刀具的排列方式、数量和刀盘的设计；通过作业功率测试实验验证了仿真模型的可行性。
　　仿真分析和实验结果表明：
　　1）针对本文所设计的旋耕刀，其前进速度为0.3m/s，旋转速度为240r/min，经切削阻力的分析，单个刀片的切削阻力稳定在1000N左右；
　　2）立式旋耕刀在作业过程中，分别选取三个不同深度的土壤粒子做出运动轨迹，分析土壤粒子的位移、速度和加速度曲线图，得出了刀具对土壤有提升运输作用，基本实现了上翻下松的目的。
　　3）通过刀具的仿真分析，得到其切削功率为3.3kW，大小约为单个旋耕刀的3倍，且功率值波动稳定；说明各个刀片的受力均匀，选择的刀片排列方式切实可行，能达到预期旋耕效果。
　　4）通过测试平台对仿真模型的单个刀具进行验证实验，其实测功率值与仿真结果误差为8.68%。
　　（4）以旋耕刀的前进速度、旋转速度和结构参数为试验因子，功耗为试验指标制定虚拟正交试验，并采用软件SPSS建立功耗与各因子的一次回归方程，设定目标函数和约束条件运用软件MATLAB对其一次线性回归方程进行优化，得到立式旋耕刀具最小功耗值和与之对应的最优运动参数和结构参数为：最小功耗为2.43kW，此时前进速度为0.28m/s，旋转速度为20.78rad/s，螺旋圈数为1.35。
　　（5）进行实验验证。测试优化后旋耕刀具实验功耗平均值为2.64kW，与仿真结果误差为8.64%，验证理论分析和仿真模型的正确性。同时，通过平台实验的测得小型深耕机平台的耕深合格率为91.17%、碎土率为72.54%和耕后地表平整度为2cm，各项耕作性能指标均达标。

目录

声明

第1章 文献综述

1.1 深耕机的概况

1.2 耕作刀片的研究现状

1.3 土壤切削作用机理国内外研究概况

第2章 绪论

2.1 研究的背景和意义

2.2 研究内容

2.3 研究方案

第3章 立式旋耕刀具的设计及动力学理论分析

3.1 刀具的整体布置

3.2 刀片线型的设计

3.3 刀具切削土壤的动力学分析

3.4 本章小结

第4章 立式旋耕刀土壤切削有限元仿真模拟

4.1 LS-DYNA软件简介

4.2 SPH方法基本理论

4.3 立式旋耕刀有限元模型建立

4.4 土壤本构模型的建立

4.4.3 土壤本构SPH模型的建立

4.5 立式旋耕刀土壤切削仿真模拟

4.6 仿真结果分析

4.7 悬臂梁刀具的检验

4.8 刀具的仿真模拟

4.9 仿真模型的实验验证

4.10 本章小结

第5章 立式旋耕刀具性能参数优化

5.1 虚拟正交试验

5.2 基于MATLAB建立优化模型

5.3 实验验证

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

附录

致谢

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