基于DEM-MBD耦合的自激振动深松机作业过程仿真分析与试验研究

摘要

自激振动深松机采用弹簧作为蓄能器，通过弹簧存储和释放弹性势能来适应耕作阻力变化的一种新型深松机具，在过载保护和降低能量消耗方面表现出色。该机具的研制主要采用试验法，受时间和空间限制，且耗费大量的人力物力成本，另外在试验过程中很难获得土壤颗粒级的物理信息。为了提高自激振动深松机的设计效率和使用的可靠性，离散元法被证明是有效的方法。但现有离散元法接触力学模型无法准确表达具有一定含水率的受压土壤在分离前后其粘结力和粘附力多种变化形式；且传统离散元法无法用于复杂机械系统与散体物料间相互作用的动力学参数计算，需要借助第三方计算多体动力学软件和耦合接口软件，国内在该领域研究还属空白。为此，本文创建了一种湿颗粒接触力学模型用于具有一定含水率的受压土壤深松过程的模拟；另外，设计开发了具有完全自主知识产权的计算多体系统动力学(MBD)求解器及DEM-MBD耦合算法，填补了国内在该领域的空白。　　首先，文中发展了一种湿颗粒接触力学模型，给出了模型详细的计算公式，并采用该模型仿真了土壤堆积试验，通过对比试验结果验证了模型的有效性；然后，设计开发了MBD求解器，建立了DEM-MBD耦合算法，采用DEM-MBD耦合仿真算法仿真了单自由度移动和摆动弹簧-阻尼振动系统，并通过对比其解析解和仿真解，验证了MBD求解器和DEM-MBD耦合算法的准确性；其次，通过土槽试验研究了1s-300型自激振动深松机激振弹簧刚度、作业速度和翼铲位置对机具水平方向牵引力和深松面积的影响；最后，对比土槽试验，本文采用开发的湿颗粒模型、MBD求解器和DEM-MBD耦合算法对1s-300型自激振动深松机与土壤相互作用系统进行了仿真分析，结果表明仿真结果与试验结果一致。本文的主要工作与结论如下。　　（1）发展了一种湿颗粒接触力学模型，该湿颗粒模型为更好的模拟深松作业过程中土壤的剪切破碎行为提供了一种新方法。　　①定义了二次接触粘附刚度系数，当颗粒间或颗粒与边界的距离由失效距离回到粘附力作用距离时，粘附力再次起作用，但二次粘结、粘附的刚度系数会减小，通过首次和二次粘附刚度系数的差值来计算颗粒间或颗粒与边界“黏结键”的破坏。　　②采用湿颗粒模型仿真了土壤堆积试验，通过调节粘附刚度系数和摩擦系数控制土壤堆积角大小，堆积角回归模型预测了3种含水率土壤的堆积角，仿真结果和试验结果高度拟合，验证了湿颗粒模型在模拟具有一定含水率土壤堆积行为中的可行性。　　③采用湿颗粒模型模拟了土块切削试验，通过设置颗粒首次接触和二次接触的刚度系数变化，模拟了颗粒“黏结键”断裂的作用效果，验证了湿颗粒模型模拟“黏结键”断裂的可行性。　　（2）设计开发了平面多刚体动力学求解器。　　①采用平面笛卡尔坐标系定义刚体的位置和姿态(????????????)，并通过刚体间的铰约束定义刚体的约束方程。　　②推导了自由转动铰约束、滑移铰约束、力元约束、滑移驱动约束和固定约束的位置约束方程、速度约束方程和加速度约束方程，以及系统的动力学方程。　　③完成了系统动力学方程的自动组集，并给出了系统动力学方程的解法。　　（3）设计开发了DEM-MBD耦合算法。　　①构建了DEM求解器与MBD求解器耦合计算方法，明确了两个求解器计算流程及计算所需的参数，推导了耦合计算公式。　　②采用耦合算法对单自由度弹簧-阻尼振动系统的粒子盒分别在平动和摆动状态下的动力学响应进行仿真，对比了耦合算法给出的粒子盒的速度和位移数值解和振动模型的解析解，相关性系数达0.999，验证了耦合仿真模型的正确性和可靠性。　　（4）采用土槽试验对1s-300型自激振动深松机作业过程进行了分析。　　①设计了自激振动深松机正交试验方案，以激振弹簧刚度、翼铲位置、作业速度为因素，每个因素设计三个水平，以牵引力和深松面积为试验指标，采用??9(34)正交实验表进行了土槽实验。　　②通过对牵引力和深松面积正交实验结果进行极差分析、因素指标影响曲线分析和方差分析。确定了影响牵引力的主次因素及最优组合和各因素对牵引力的显著性；确定了影响深松面积的主次因素及最优组合和各因素对深松面积影响的显著性。　　（5）采用DEM-MBD耦合算法对1s-300型自激振动深松机与土壤作用系统的动力学响应进行了仿真。　　①构建了基于DEM-MBD耦合的自激振动深松机作业过程的仿真模型，完成了自激振动深松机动力学建模和土槽土壤的离散元法建模，采用耦合仿真对自激振动深松机与土壤相互作用系统进行了仿真分析，对比土槽试验结果，验证了本文提出的湿颗粒模型、MBD求解器及DEM-MBD耦合算法的可靠性。　　②分析了深松机在前进方向和垂直于前进方向对土壤的扰动结果，耦合仿真从微观角度解释了深松机的松土机理和自激振动深松机的减阻机理，为该类机具的设计提供了一种新方法。

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