一种基于SPH分析土壤翻耕刀具的方法、系统及存储介质技术方案

本发明专利技术涉及一种基于SPH分析土壤翻耕刀具的方法、系统及存储介质，其方法包括基于SPH方法，建立目标翻耕土壤的SPH运动模型；根据所述SPH运动模型计算所述SPH运动模型中粒子的应力；根据所述SPH运动模型中粒子的应力，并利用接触算法计算翻耕刀具所受的应力；根据所述SPH运动模型计算所述SPH运动模型中粒子的混合度；根据所述混合度以及所述翻耕刀具所受的应力分析所述翻耕刀的参数的最优选取值；本发明专利技术通过接触算法计算翻耕刀具的所受应力，通过翻耕刀具的所受应力与混合度分析翻耕刀具的参数选择合理性，能够有效评估和预测土壤与翻耕刀具相互作用过程。耕刀具相互作用过程。耕刀具相互作用过程。

【技术实现步骤摘要】
一种基于SPH分析土壤翻耕刀具的方法、系统及存储介质


[0001]本专利技术涉及土壤翻耕模拟
，具体涉及一种基于SPH分析土壤翻耕刀具的方法、系统及存储介质。

技术介绍

[0002]随着农业机械化的快速发展，土壤翻耕时土壤与翻耕刀具之间的相互作用逐渐引起人们的重视。传统的土壤与翻耕刀具相互作用过程分析方法以经验法为主，分析效率较低，且精度较差。随着计算机技术的发展，计算机建模、数值模拟等技术将分析方法与
‑
刀具相互作用过程结合起来，对土壤与翻耕刀具之间的相互作用过程进行仿真分析，在保证达到较高精度要求的前提下，缩短了分析周期，大大节约了研究成本。在数值方法中，计算流体动力学适用于流体模拟，难以解决静态变形问题，离散元法参数选取具有随机性，不适合处理基于连续介质近似的土体本构关系。
[0003]但是，在现有技术的土壤翻耕中，设置翻耕刀具的参数选择仍然是通过经验进行设置，导致翻耕刀具参数选择不合理，无法科学合理地选择刀具参数。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术中，设置翻耕刀具的参数选择仍然是通过经验进行设置，导致翻耕刀具参数选择不合理，无法科学合理地选择刀具参数等技术问题，本专利技术提供一种基于SPH分析土壤翻耕刀具的方法、系统及存储介质。
[0005]本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：
[0006]一种基于SPH分析土壤翻耕刀具的方法，包括如下步骤：
[0007]基于SPH方法，建立目标翻耕土壤的SPH运动模型；
[0008]根据所述SPH运动模型计算所述SPH运动模型中粒子的应力；
[0009]根据所述SPH运动模型中粒子的应力，并利用接触算法计算翻耕刀具所受的应力；
[0010]根据所述SPH运动模型计算所述SPH运动模型中粒子的混合度；
[0011]根据所述混合度以及所述翻耕刀具所受的应力分析所述翻耕刀的参数的最优选取值。
[0012]本专利技术的有益效果是：与现有技术中的的数值模拟方法如计算流体力学、离散元法相比，本专利技术基于SPH分析方法是一种纯拉格朗日无网格方法，在土壤的土体大变形模拟问题中具有显著优势，且模型简单、精度较高；并通过接触算法计算翻耕刀具的所受应力，通过翻耕刀具的所受应力与混合度分析翻耕刀具的参数选择合理性，能够有效评估和预测土壤与翻耕刀具相互作用过程。
[0013]在上述技术方案的基础上，本专利技术还可以做如下改进。
[0014]进一步，基于SPH方法，建立目标翻耕土壤的SPH运动模型，具体包括如下步骤：
[0015]基于SPH方法，根据所述目标翻耕土壤的剖面信息，生成粒子模型；
[0016]确定所述SPH方法中采用的数值方法，并设置时间步长；
[0017]根据所述数值方法对所述粒子模型进行搜索配对，得到所述粒子模型中各个粒子的邻近数学表达式；
[0018]根据所述邻近数学表达式以及所述时间步长计算所述粒子模型中各个粒子物理信息，得到所述SPH运动模型。
[0019]进一步，所述数值方法包括光滑核函数、密度计算方法、速度计算方法以及边界处理方法。
[0020]进一步，所述光滑核函数为：
[0021][0022]其中，W(R,h)表示所述SPH运动模型中粒子的光滑权重，h表示光滑半径，R表示所述粒子的粒子间距与光滑半径的比值，在一维空间下α
d
为在二维空间下α
d
为在三维空间下α
d
为
[0023]进一步，所述密度计算方法的计算公式如下：
[0024][0025]所述速度计算方法的计算公式如下：
[0026][0027]其中，i表示所述粒子的编号，j表示与粒子i相邻的粒子的编号，α表示所述SPH运动模型中粒子的横坐标方向，β表示所述SPH运动模型中粒子的纵坐标方向，ρ
i
表示粒子i的密度，表示粒子i在时刻t处的密度微分值，表示粒子i的纵坐标方向β的速度矢量，表示粒子j的纵坐标方向β的速度矢量；表示粒子j的横坐标方向α的矢量速度，表示粒子j在时刻t处的横坐标方向α的速度微分值，m
j
表示粒子j的质量，N表示粒子i的相邻粒子总数，W
ij
表示粒子j相对于粒子i的光滑权重，R
ij
表示粒子i与粒子j之间的粒子间距与所述光滑半径的比值，表示所述光滑核函数的梯度，表示粒子i的横坐标方向α的应力矢量与纵坐标方向β的应力矢量的合力，表示粒子j的横坐标方向α的应力矢量与纵坐标方向β的应力矢量的合力，σ
i
表示粒子i的总应力张量，σ
j
表示粒子j的总应力张量，表示粒子i在横坐标方向α所受的外力矢量。
[0028]进一步，所述边界处理方法的计算公式如下：
[0029][0030]其中b和c分别表示所述SPH运动模型中的边界粒子和土体粒子，v
c
表示所述土体粒子的运动速度，v
b
表示所述边界粒子的运动速度，p
c
表示所述土体粒子的密度，p
b
表示所述边界粒子的密度，σ
c
表示所述土体粒子所受的应力，σ
b
表示所述边界粒子所受的应力。
[0031]进一步，利用接触算法计算翻耕刀具所受的应力的具体计算公式为：
[0032][0033]其中，k表示所述SPH运动模型中土体粒子的编号，F
nk
和F
τk
分别表示土体粒子k的正应力和切应力，χ表示残余穿透范围，m
k
表示土体粒子k的质量，Δt表示时间步长，d0表示土体粒子k与所述翻耕刀具的表面的最大垂直距离阈值，p表示土体粒子k在所述翻耕刀具的表面的正射影点，d
p
表示土体粒子k与所述翻耕刀具的表面的垂直距离，μ表示所述翻耕刀具表面的摩擦系数，n
p
和τ
p
分别表示p点处所述翻耕刀具表面的法向量和切向量，当|F
τk
|>μ|F
nk
|时，F
N
和F
T
分别表示所述翻耕刀具所受的正应力和切应力，N
s
表示所述SPH运动模型中所述土体粒子的总数。
[0034]进一步，计算所述SPH运动模型中粒子的混合度的具体计算公式为：
[0035][0036]其中，ml表示所述SPH运动模型中粒子的混合度，k表示所述SPH运动模型中土体粒子的编号，e与s分别表示所述SPH运动模型对应的坐标系中的两个不同的坐标点，N
s
表示所述SPH运动模型中所述土体粒子的总数，|x
k,e
‑
x
k,s
|表示所述SPH运动模型中土体粒子k的横向移动距离，x
k,e
表示土体粒子k在坐标点e处的横向坐标，x
k,s
表示土体粒子k本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于SPH分析土壤翻耕刀具的方法，其特征在于，包括如下步骤：基于SPH方法，建立目标翻耕土壤的SPH运动模型；根据所述SPH运动模型计算所述SPH运动模型中粒子的应力；根据所述SPH运动模型中粒子的应力，并利用接触算法计算翻耕刀具所受的应力；根据所述SPH运动模型计算所述SPH运动模型中粒子的混合度；根据所述混合度以及所述翻耕刀具所受的应力分析所述翻耕刀的参数的最优选取值。2.根据权利要求1所述的基于SPH分析土壤翻耕刀具的方法，其特征在于，基于SPH方法，建立目标翻耕土壤的SPH运动模型，具体包括如下步骤：基于SPH方法，根据所述目标翻耕土壤的剖面信息，生成粒子模型；确定所述SPH方法中采用的数值方法，并设置时间步长；根据所述数值方法对所述粒子模型进行搜索配对，得到所述粒子模型中各个粒子的邻近数学表达式；根据所述邻近数学表达式以及所述时间步长计算所述粒子模型中各个粒子物理信息，得到所述SPH运动模型。3.根据权利要求2所述的基于SPH分析土壤翻耕刀具的方法，其特征在于，所述数值方法包括光滑核函数、密度计算方法、速度计算方法以及边界处理方法。4.根据权利要求3所述的基于SPH分析土壤翻耕刀具的方法，其特征在于，所述光滑核函数为：其中，W(R,h)表示所述SPH运动模型中粒子的光滑权重，h表示光滑半径，R表示所述粒子的粒子间距与光滑半径的比值，在一维空间下α
d
为在二维空间下α
d
为在三维空间下α
d
为5.根据权利要求3所述的基于SPH分析土壤翻耕刀具的方法，其特征在于，所述密度计算方法的计算公式如下：所述速度计算方法的计算公式如下：其中，i表示所述粒子的编号，j表示与粒子i相邻的粒子的编号，α表示所述SPH运动模型中粒子的横坐标方向，β表示所述SPH运动模型中粒子的纵坐标方向，ρ
i
表示粒子i的密
度，表示粒子i在时刻t处的密度微分值，表示粒子i的纵坐标方向β的速度矢量，表示粒子j的纵坐标方向β的速度矢量；表示粒子j的横坐标方向α的矢量速度，表示粒子j在时刻t处的横坐标方向α的速度微分值，m
j
表示粒子j的质量，N表示粒子i的相邻粒子总数，W
ij
表示粒子j相对于粒子i的光滑权重，R
ij
表示粒子i与粒子j之间的粒子间距与所述光滑半径的比值，表示所述光滑核函数的梯度，表示粒子i的横坐标方向α的应力矢量与纵坐标方向β的应力矢量的合力，表示粒子j的横坐标方向α的应力矢量与纵坐标方向β的应力矢量的合力，σ
i
表示粒子i的总应力张量，σ
j
表示粒子j的总应力张量，表示粒子i在横坐标方向α所受的外力矢量。6.根据权利要求3所述的基于SPH分析土壤翻耕刀具的方法，其特征在于，所述边界处理方法的计算公式如下：其中b和c分别表示所述SPH运动模型中的边界粒子和土体粒子，v
c
表示所述土体粒子的运动速度，v
b
表示所述边界粒子的运动速度，p
c
表示所述土体粒子的密度，p
b
表示所述边界粒子...

【专利技术属性】
技术研发人员：易灿，冯殿垒，楚亚杰，付体涵，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：