蔗叶还田机柔性刀工作过程仿真研究

摘要

本文以第二代蔗叶柔性刀切断还田机为研究对象，基于LS-DYNA有限元分析软件，运用ALE算法对蔗叶还田机柔性刀的工作过程进行了流固耦合的仿真运算。主要是针对不同的刀辊工作方式在工作过程中引起的自激风场的变化规律、蔗叶切断过程以及蔗叶切断过程中对甘蔗宿根的影响等展开仿真研究，并进行了相关的试验验证，检验仿真的有效性，为蔗叶还田机刀辊和导流罩的进一步优化提供依据。
　　（1）开展了刀辊的不同工作方式下自激风场的仿真分析以及风场风速试验。通过对仿真结果的对比分析，优选出两个刀辊同向顺时针旋转和主刀辊顺时针从刀辊逆时针旋转等两种工作方式。两个刀辊同向旋转的工作方式下，气流的运动主要集中在柔性刀的运动平面内，两个刀辊形成的气流在两个刀辊之间区域交汇，形成一个气流交汇面，并伴随有涡流的形成，导流罩两个出风口区域和两个刀辊之间地面附近的气流变化最规律，气流在导流罩左出风口和两个刀辊之间区域朝左上方向运动，在导流罩右出风口朝右上方向运动。主刀辊顺时针从刀辊逆时针旋转的工作方式下，两个刀辊形成的气流在两个刀辊之间的导流罩顶部附近区域交汇，气流相互冲击发生削弱，气流交汇后向下运动，气流到达地面后强度已减小，近地面的风速值在刀辊的所有工作方式中最小，气流变化在导流罩左右两个出风口最规律，在导流罩左出风口区域气流运动方向为左上方向，在导流罩右出风口区域气流运动方向为右上方向。同时，采用热线式风速仪对地面附近区域的两个刀辊之间区域和导流罩左右出风口进行测量。将仿真数据和试验数据对比，两者虽然存在较大的差值，但是变化趋势相似，仿真结果具备一定的合理性。
　　（2）开展了蔗叶还田机的切叶过程仿真研究，并使用高速摄影设备对切叶过程进行了拍摄。通过对两个刀辊同向顺时针旋转和主刀辊顺时针从刀辊逆时针旋转工作方式下蔗叶切断过程仿真结果的对比分析，得到主刀辊顺时针从刀辊逆时针旋转的工作方式是最优的，在此工况下，蔗叶被切断后会向导流罩左右两个出风口运动并排出，但是也存在蔗叶排出受阻，会被柔性刀带入导流罩内引起缠绕的问题。同时，使用高速摄影设备对刀辊不同工作方式的切叶过程进行了试验，观察到了与仿真类似的蔗叶切断后的运动情况，验证了仿真的有效性。
　　（3）开展了蔗叶切断过程中柔性刀对甘蔗宿根影响情况的仿真研究。仿真结果表明：蔗皮的最大应力值为2.68 MPa，蔗芯的最大应力值为0.57 MPa，所受应力小于甘蔗基部材料的压缩强度，柔性刀不会造成甘蔗宿根破头等伤害。最后，通过土壤应力传感器采集到柔性刀击打地面的应力参数，并提取仿真土壤模型中对应位置单元的应力数据进行对比，检验了仿真模结果的有效性。

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1 前言

1.1选题背景

1.2国内外蔗叶还田机研究现状

1.3国内外ALE方法在空气的流固耦合模拟运算的发展现状

1.4课题研究的进展

1.5课题研究的意义

1.6课题研究的内容

2 蔗叶柔性刀切断还田机的主要工作部件以及仿真分析软件的应用

2.1 蔗叶柔性刀切断还田机的主要工作部件

2.2仿真分析软件的应用

2.3 小结

3 导流罩内的风场仿真分析

3.1仿真内容

3.2 仿真的基本假设

3.3 仿真模型的建立

3.4仿真参数的设定

3.5仿真结果的分析

3.6刀辊不同工作方式的风速试验

3.7 本章小结

4 蔗叶还田机柔性刀切叶过程仿真

4.1仿真模型的建立

4.2仿真结果分析

4.3蔗叶切断过程的高速摄影试验

4.4 本章小结

5 蔗叶切断过程对甘蔗宿根的影响

5.1甘蔗宿根模型

5.2仿真结果分析

5.3验证分析

5.4本章小结

6 总结与展望

6.1结论

6.1展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士期间的科研工作与成果