一种基于FE-SPG的微耕机旋耕刀切削土壤过程分析方法技术

本发明专利技术公开了一种基于FE

【技术实现步骤摘要】
一种基于FE
‑
SPG的微耕机旋耕刀切削土壤过程分析方法


[0001]本专利技术涉及农业
，尤其是一种基于FE
‑
SPG的微耕机旋耕刀切削土壤过程分析方法。

技术介绍

[0002]丘陵、山地和高原约占亚洲地形总面积的3/4，丘陵、山地和高原约占我国耕地总面积的69.3％，由于丘陵、山地和高原地势崎岖不平，存在着坡度、高度差等问题，大型农业机械不便开展机械化耕作。微耕机由于体积小、重量轻、使用灵活等特点，在丘陵、小坡度、温室大棚以及小面积田块得到了广泛应用。
[0003]旋耕刀作为微耕机的耕作部件，其结构形式和切削土壤参数直接影响到微耕机的耕作性能。随着计算机以及商业数值模拟软件的发展，计算机数值模拟方法(如有限元方法)在分析微耕机旋耕刀土壤切削过程研究中得到了大量应用。但由于在微耕机旋耕刀切削土壤过程中存在着大变形、单元破碎等非线性力学行为，传统的数值计算方法在求解计算过程中由于网格畸变导致求解失败，因而无法获得旋耕刀切削过程的运动学特征以及力学特性。

技术实现思路

[0004]本专利技术的专利技术目的在于：针对上述存在的问题，提供一种基于FE
‑
SPG的微耕机旋耕刀切削土壤过程分析方法，该方法解决了微耕机旋耕刀切削土壤分析过程中的网格畸变问题，能够定性评估微耕机旋耕刀切削土壤性能和效果，定量分析微耕机旋耕刀切削土壤过程的运动学特征以及力学特性；还能够为优化微耕机旋耕刀切削土壤参数以及设计微耕机耕作部件提供理论依据。
[0005]本专利技术采用的技术方案如下：
[0006]一种基于FE
‑
SPG的微耕机旋耕刀切削土壤过程分析方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1、根据微耕机耕作土壤要求，建立旋耕刀和土壤几何模型；
[0008]步骤2、建立旋耕刀和土壤的FE模型，并将土壤FE模型离散为SPG粒子模型；
[0009]步骤3、预先确定计算旋耕刀切削土壤过程需要采用的数值计算技术，设定计算时间以及时间步长；
[0010]步骤4、建立旋耕刀
‑
土壤切削计算模型耦合接触作用；
[0011]步骤5、设定旋耕刀切削土壤运动参数，设置计算结果输出选项，提交计算文件进行计算，获得计算数值结果。
[0012]可供选择的，还包括以下步骤：步骤6、获取旋耕刀切削土壤过程的运动学特征以及力学特性。
[0013]可供选择的，还包括以下步骤：步骤6、获取旋耕刀切削土壤状态和耕作效果。
[0014]可供选择的，还包括以下步骤：步骤6、获取旋耕刀切削土壤扭矩、切削力以及能量消耗参数。
[0015]可供选择的，还包括以下步骤：步骤6、获取土壤应力、应变力学参数。
[0016]可供选择的，所述步骤2还包括设定旋耕刀为刚体，土壤为非线性弹塑性本构模型。
[0017]可供选择的，所述步骤3中的数值计算处理技术包括FE
‑
SPG模型建立方法、接触边界计算方法、边界约束计算方法、时间积分方法。
[0018]可供选择的，所述步骤4还包括设置内部结构接触参数。
[0019]可供选择的，所述步骤4中旋耕刀与土壤的接触为自动点面接触，旋耕刀设定为主接触面，土壤设定为从接触面。
[0020]可供选择的，所述步骤5中的旋耕刀切削土壤运动参数包括旋转速度、前进速度、耕作深度。
[0021]综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有益效果是：
[0022]1、本专利技术提供了一种基于FE
‑
SPG的微耕机旋耕刀切削土壤过程分析方法，采用一种有限单元(FE)和光滑粒子伽辽金(SPG)的耦合方法，将土壤模型离散为有限个粒子，将旋耕刀模型离散为有限个单元。作为一种新型的无网格和有限单元耦合方法，与目前所用的有限元方法、无网格方法以及离散元方法相比，能够分析微耕机旋耕刀切削土壤全过程的运动学及力学行为，解决了微耕机旋耕刀切削土壤分析过程中的网格畸变问题，计算分析时间步长不随网格变形而降低，保证了求解精度。
[0023]2、本专利技术提供了一种基于FE
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SPG的微耕机旋耕刀切削土壤过程分析方法，旋耕刀采用FE刚性单元，SPG方法基于键断裂模型计算求解材料破坏，不删除材料单元，保证了质量守恒以及能量守恒，在处理土壤大变形以及单元失效、破坏方面有独特优势。
[0024]3、本专利技术提供了一种基于FE
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SPG的微耕机旋耕刀切削土壤过程分析方法，能够改善传统数值计算技术中的不足，提高微耕机旋耕刀切削土壤数值计算的稳定性和精确性，为农业机械领域中耕作部件耕作土壤性能分析提供了一种新的方法。同时，本专利技术方法可以计算农业机械领域中播种、插秧、土壤镇压、犁作等高度非线性动力学问题。
附图说明
[0025]本专利技术将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
[0026]图1是实施例中旋耕刀切削土壤状态和耕作效果一。
[0027]图2是实施例中旋耕刀切削土壤状态和耕作效果二。
[0028]图3是实施例中旋耕刀切削土壤状态和耕作效果三。
[0029]图4是实施例中旋耕刀切削土壤状态和耕作效果四。
[0030]图5是实施例中旋耕刀切削土壤过程的运动学特征一。
[0031]图6是实施例中旋耕刀切削土壤过程的运动学特征二。
[0032]图7是实施例中扭矩图。
[0033]图8是实施例中切削力图。
[0034]图9是实施例中内能图。
[0035]图10是实施例中动能图。
[0036]图11是实施例中界面滑移能图。
[0037]图12是实施例中总能量图。
[0038]图13是实施例中土壤应力图。
[0039]图14是实施例中土壤单元应力曲线图。
[0040]图15是实施例中土壤剪切应力图。
[0041]图16是实施例中土壤单元剪切应力曲线图。
[0042]图17是实施例中土壤应变图。
[0043]图18是实施例中土壤塑性应变图。
[0044]图19是实施例中土壤单元塑性应变曲线图。
具体实施方式
[0045]下面结合附图，对本专利技术作详细的说明。
[0046]本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
[0047]本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
[0048]一种基于FE
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SPG的微耕机旋耕刀切削土壤过程分析方法，包括以下步骤：
[0049]步骤1、根据微耕机耕作土壤要求，建立旋耕刀和土壤几何模型；
[0050]步骤2、建立旋耕刀和土壤的FE模型，并将土壤FE模型离散为SPG粒子模型；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于FE
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SPG的微耕机旋耕刀切削土壤过程分析方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1、根据微耕机耕作土壤要求，建立旋耕刀和土壤几何模型；步骤2、建立旋耕刀和土壤的FE模型，并将土壤FE模型离散为SPG粒子模型；步骤3、预先确定计算旋耕刀切削土壤过程需要采用的数值计算技术，设定计算时间以及时间步长；步骤4、建立旋耕刀
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土壤切削计算模型耦合接触作用；步骤5、设定旋耕刀切削土壤运动参数，设置计算结果输出选项，提交计算文件进行计算，获得计算数值结果。2.如权利要求1所述的基于FE
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SPG的微耕机旋耕刀切削土壤过程分析方法，其特征在于：还包括以下步骤：步骤6、获取旋耕刀切削土壤过程的运动学特征以及力学特性。3.如权利要求1所述的基于FE
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SPG的微耕机旋耕刀切削土壤过程分析方法，其特征在于：还包括以下步骤：步骤6、获取旋耕刀切削土壤状态和耕作效果。4.如权利要求1所述的基于FE
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SPG的微耕机旋耕刀切削土壤过程分析方法，其特征在于：还包括以下步骤：步骤6、获取旋耕刀切削土壤扭矩、切削力以及能量消耗参数。5.如权利要求1所述的基于FE
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【专利技术属性】
技术研发人员：朱留宪，孙勇，黄娟，冷真龙，
申请(专利权)人：四川工程职业技术学院，
类型：发明
国别省市：