一种基于DEM-FEM双向耦合的土壤深松仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种基于DEM

【技术实现步骤摘要】
一种基于DEM
‑
FEM双向耦合的土壤深松仿真方法


[0001]本专利技术涉及农业机械领域，尤其涉及一种基于DEM
‑
FEM双向耦合的土壤深松仿真方法。

技术介绍

[0002]深松机是土壤深松耕作中的关键设备，深松机作业要求能够适用多样性的种植作物、农田地块形状、土壤结构、周围环境等，而深松过程是借助刀具的运动和动力使深层土壤受到剪切、弯曲、挤压、拉伸等复合作用使土壤变得疏松绵细且地表平整。土壤的深松效果不仅与土壤的特征参数(包括土壤颗粒密度、颗粒大小、颗粒数量等)和深松机的运动参数(包括工作速度、耕作深度、入土角度等)有直接联系，还与深松刀具的结构参数(包括刀头数量、刀头厚度、刀头排布关系及刀头安装角度等)有紧密联系。寻找到一种分析土壤深松机理的方法非常重要，不仅可以分析深松刀具运动参数对土壤深松效果的影响规律，还可以分析不同参数对深松刀具耕作阻力的影响规律，获得最优的参数和结构。
[0003]目前土壤深松研究中只利用离散元法研究土壤的特征参数、深松刀具的运动参数或只利用有限元法研究深松刀具的结构参数对深松效果的影响并通过田间试验验证，虽然以上方法具有可靠性，但未形成双向反馈闭环以及试验结果反馈不及时，试验时，由于试验田资源有限，且深松试验后的土壤特征参数已发生变化，试验田在短时间内不具有重复利用性，深松机改进后的效果常常无法得到实时的验证。
[0004]上述内容仅用于辅助理解本专利技术的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。

技术实现思路

[0005]本专利技术的主要目的在于提供一种基于DEM
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FEM双向耦合的土壤深松仿真方法，旨在解决多特征土壤环境下深松机质量重、工作阻力大、磨损严重的问题。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于DEM
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FEM双向耦合的土壤深松仿真方法，所述方法包括以下步骤：步骤1、定义土壤的结构参数，建立土壤DEM离散元模型，定义深松刀具的结构参数，建立深松刀具的三维模型，并对所述三维模型进行网格化处理，得到深松刀具的FEM有限元模型；步骤2、将所述深松刀具FEM模型导入所述土壤DEM离散元模型中,对所述土壤的DEM模型定义土壤特征参数，对所述深松刀具FEM有限元模型定义运动参数；步骤3、基于DEM土壤深松仿真,分析土壤特征参数和深松刀具运动参数对土壤深松效果的影响规律，改变土壤特征参数和深松刀具运动参数，重复步骤2和步骤3；步骤4、基于DEM土壤深松仿真，分析深松刀具受到的耕作阻力，分析土壤特征参数和深松刀具运动参数对深松刀具耕作阻力的影响规律，改变土壤特征参数和深松刀具运动参数，重复步骤2和步骤4；
步骤5、将DEM获得的耕作阻力作为FEM有限元分析的载荷边界条件，进行静力学和动力学分析，分析耕作阻力对深松刀具结构的影响规律，改变土壤结构参数和深松刀具结构参数，重复步骤1
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5；步骤6、通过DEM
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FEM双向耦合仿真分析土壤深松机理，获取不同土壤特征及结构参数下深松刀具运动及结构参数的优化结果。
[0007]其中，步骤1的具体步骤包括：土壤结构参数包括层数及各层颗粒空间，深松刀具结构参数包括刀头数量、刀头厚度、刀头排布关系及刀头安装角度。
[0008]步骤2的具体步骤包括：土壤的特征参数包括颗粒密度、颗粒大小、颗粒数量，深松刀具的运动参数包括工作速度、耕作深度、入土角度。
[0009]步骤3的具体步骤包括：模拟深松刀具在土壤中的深松过程，分析统计土壤深松颗粒混合度和耕作效率。
[0010]利用EDEM后处理Analyst模块，将土壤深松过程各层土壤颗粒相互接触个数绘制成曲线图，得到深松后每层土壤中颗粒的种类变化计算颗粒混合度。颗粒混合度计算公式为：式中，N
e
为深松前两种颗粒接触数量，N
b
为深松后两种颗粒接触数量。
[0011]将土壤深松过程颗粒间Bonding键的断裂数量绘制成曲线图，原本板结成块的土壤在深松刀具的耕作下破碎分散，因此根据其曲线图计算深松刀具在行进方向上的曲线斜率即可得到土壤深松耕作效率。耕作效率计算公式为：式中，S
b
为深松刀具在行进方向上深松开始时刻Bonding键的断裂数量，S
e
为深松完成时刻Bonding键的断裂数量，t
b
为深松刀具在行进方向上深松开始时刻，t
e
为深松完成时刻。
[0012]步骤4的具体步骤包括：基于DEM土壤深松仿真，利用EDEM后处理Analyst模块，将土壤深松过程中深松刀具受到土壤各个方向的合力载荷即土壤绝对耕作阻力，绘制成随时间变化的土壤绝对耕作阻力曲线图，同时也将合力分解后深松刀具受到土壤X、Y、Z各轴方向的耕作阻力，绘制成随时间变化的各轴耕作阻力曲线图。
[0013]步骤5的具体步骤包括：将步骤4的耕作阻力结果以Pressure形式输出，设置深松刀具所受合力载荷峰值时间为起止时间，将输出载荷Pressure数据保存成.axdt格式，并且选择保留载荷峰值状态时深松刀具的位置；数据中包含网格单元的节点ID号，节点的空间坐标以及单元载荷；为了保证输出载荷Pressure准确加载到深松刀具上，需要通过EDEM分析模块观察深松刀具峰值载荷时的位置，调整ANSYS Workbench中有限元模型的位置，这样保证在有限元分析中DEM和FEM模型的坐标系一致，将调整好位置的深松刀具另存为.stl文件作为有限元分析的模型；用ANSYS Workbench中的DEM Solutions模块，读取输出的.axdt格式的Pressure载荷文
件，关联加载到Static Structural模块及Modal模块作为有限元分析的载荷边界条件，并将Pressure施加在深松刀具受到峰值载荷时接触到土壤的结构表面，对深松刀具进行静力学动力学分析。
[0014]步骤6的具体步骤包括：基于DEM
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FEM双向耦合仿真，统计对比在不同土壤特征参数下深松刀具运动参数不同时的深松效果，分析土壤深松机理，获取深松刀具运动参数优化结果；统计对比在不同土壤结构参数下深松刀具结构参数不同时的静力学和动力学分析结果，对深松刀具进行结构优化，获取深松刀具结构参数优化结果。
[0015]本专利技术通过建立土壤离散元模型和深松刀具有限元模型；运用离散元DEM仿真分析土壤特征参数和深松刀具运动参数对土壤深松效果及深松刀具耕作阻力的影响规律，改变土壤特征参数及深松刀具运动参数，计算不同变量下土壤深松颗粒混合度、深松刀具耕作效率及所受耕作阻力等信息；通过有限元FEM分析从DEM获得的耕作阻力对深松刀具结构的影响规律，改变土壤结构参数和深松刀具结构参数，统计不同变量下静力学和动力学分析结果；通过DEM
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FEM双向耦合进行模拟仿真，分析深松刀具的土壤深松机理，获得参数和结构优化结果。与现有技术相比，本专利技术可以有效减阻降耗，提升耕作效率。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于DEM
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FEM双向耦合的土壤深松仿真方法，其特征在于：步骤1、定义土壤的结构参数，建立土壤DEM离散元模型，定义深松刀具的结构参数，建立深松刀具的三维模型，并对所述三维模型进行网格化处理，得到深松刀具的FEM有限元模型；步骤2、将所述深松刀具FEM模型导入所述土壤DEM离散元模型中,对所述土壤的DEM模型定义土壤特征参数，对所述深松刀具FEM有限元模型定义运动参数；步骤3、基于DEM土壤深松仿真,分析土壤特征参数和深松刀具运动参数对土壤深松效果的影响规律，改变土壤特征参数和深松刀具运动参数，重复步骤2和步骤3；步骤4、基于DEM土壤深松仿真，分析深松刀具受到的耕作阻力，分析土壤特征参数和深松刀具运动参数对深松刀具耕作阻力的影响规律，改变土壤特征参数和深松刀具运动参数，重复步骤2和步骤4；步骤5、将DEM获得的耕作阻力作为FEM有限元分析的载荷边界条件，进行静力学和动力学分析，分析耕作阻力对深松刀具结构的影响规律，改变土壤结构参数和深松刀具结构参数，重复步骤1
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5；步骤6、通过DEM
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FEM双向耦合仿真分析土壤深松机理，获取不同土壤特征及结构参数下深松刀具运动及结构参数的优化结果。2.根据权利要求1所述的土壤DEM离散元模型和深松刀具FEM模型，其特征在于：步骤1中，土壤结构参数包括层数及各层颗粒空间，深松刀具结构参数包括刀头数量、刀头厚度、刀头排布关系及刀头安装角度。3.根据权利要求1所述的土壤DEM离散元模型和深松刀具FEM模型，其特征在于：步骤2中，土壤的特征参数包括颗粒密度、颗粒大小、颗粒数量，深松刀具的运动参数包括工作速度、耕作深度、入土角度。4.根据权利要求1所述的分析土壤特征参数和深松刀具运动参数对土壤深松效果的影响规律，其特征在于：步骤3中模拟深松刀具在土壤中的深松过程，分析统计不同变量下土壤深松颗粒混合度和耕作效率；利用EDEM后处理Analyst模块，将土壤深松过程各层土壤颗粒相互接触个数绘制成曲线图，得到深松后每层土壤中颗粒的种类变化计算颗粒混合度，颗粒混合度计算公式为：式中，N
e
为深松前两种颗粒接触数量，N
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【专利技术属性】
技术研发人员：张琳琳，秦梦妍，齐习娟，秦志英，赵月静，
申请(专利权)人：河北科技大学，
类型：发明
国别省市：