几种工程机械工作部件触土曲面的微分几何性质及其减阻力学特性研究

摘要

工程机械的工作效率以及能量损耗与其工作部件的触土曲面形状有很大关系。工作部件触土曲面的设计水平直接影响工程机械的减阻节能性能。为了优化触土曲面形状，提高曲面的设计水平，从而降低工程机械的工作阻力和能源消耗，本研究探寻工程机械工作部件触土曲面的内蕴几何性质与工作阻力特性的相互关系。本文选择推土机推土板曲面进行研究，探索两者的关系。
　　对前期研究者在土槽试验中使用的推土板模型进行数学建模。对切削角为50°、55°和60°的抛物线和仿生曲线推土板模型曲面进行测绘，建立6个曲面参数方程。为了加强理论对比性，增加了切削角为90°时的平板面推土板曲面参数方程。计算7个曲面的第一类基本量 E、F和 G，以及第二类基本量 L、M和N。通过研究推土板的工作阻力与函数E和L的关系，发现了存在一个E和L值的较优变化范围使推土板工作阻力最小。切削角55°的推土板的 E值和 L值较优，且工作阻力最小。
　　为了深入研究，设计了切削角为55°的抛物面、圆弧面、仿生面、摆线面、渐开 A面和渐开 B面推土板。同时，设计了切削角为90°的平板面推土板。对7个推土板曲面进行数学建模，建立曲面参数方程。为了更深入地研究曲面几何特性，增加表征曲面重要弯曲性质的主曲率κn作为研究对象。计算7个推土板曲面的第一类基本量E、F和G、第二类基本量L、M和N以及沿准线方向的主曲率κn。
　　利用 UG对7个推土板进行三维建模；同时，对7个推土板与土壤的切削模型进行三维实体建模。将建立的推土板与土壤的切削模型导入 ANSYS/LS-DYNA中进行前处理。然后向LS-DYNA求解器提交求解，进行有限元分析。
　　求解完成后提交 LS-PREPOST，对结果进行通用后处理分析。作出推土板前进方向、铅垂方向和推土板-土壤纵截面上的土壤应力、应变图。并记录应力、应变数据，作出折线图。分析不同曲面推土板对应的土壤应力、应变特性，以此评价推土板的性能。
　　利用 LS-PREPOST对仿真结果进行时间历程（History）后处理,得出推土板-土壤系统、推土板以及土壤在推土板前进方向、铅垂方向以及整体空间的速度、加速度、能量消耗等物理量随时间变化的曲线。对以上参数变化量进行分析，研究不同曲面推土板的动力学特性。
　　作出7个推土板曲面的第一类基本量 E、第二类基本量 L和沿准线方向的主曲率κn图像，分析研究推土板触土曲面几何性质与仿真力学特性的关系。

目录

第1章绪论

1.1工程机械触土曲面减阻脱附研究的背景和意义

1.2触土曲面减阻脱附研究现状

1.3本论文主要研究内容

第2章模型推土板触土曲面微分几何性质与力学特性

2.1推土板土槽试验及触土曲面参数化

2.2曲面第一类基本量与工作阻力分析

2.3曲面第二类基本量与工作阻力分析

2.4本章小结

第3章 7种准线推土板设计及曲面几何性质分析

3.1 7种准线推土板三维模型设计

3.2 7种准线推土板曲面内蕴几何性质

3.3本章小结

第4章推土板-土壤接触系统三维有限元侵彻分析

4.1有限元分析理论基础

4.2 ANSYS/LS-DYNA侵彻问题基础

4.3推土板-土壤侵彻问题仿真有限元分析

4.4土壤应力与应变仿真分析结果

4.5本章小结

第5章系统仿真力学特性与推土板曲面内蕴几何量分析

5.1推土板-土壤系统仿真力学特性分析

5.2推土板力学特性与曲面内蕴几何量分析

5.3本章小结

第6章结论

6.1研究总结

6.2研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果