凸齿镇压器与土壤相互作用的三维动态有限元分析-论文.pdf

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1、第3O卷第1O期农业工程学报Vo1．30No．10482014年5月TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineeringMay2014凸齿镇压器与土壤相互作用的三维动态有限元分析佟金，张智泓，一，陈东辉，张清珠，马云海，2(1．吉林大学生物与农业工程学院，长春130025；2．吉林大学工程仿生教育部重点实验室，长春130025)摘要：为分析凸齿镇压器与土壤的相互作用、预测不同的作业参数对凸齿镇压器作业效果的影响，该文利用有限元方法，在Aba

2、qus软件中建立了凸齿镇压器与土壤相互作用的三维动态有限元模型。该模型在分析过程中使用任意拉格朗日一欧拉方法对网格进行白适应划分，以解决土体局部变形引起单元畸变而导致分析中断的问题。根据凸齿镇压器的2种工作模式，对模型设置不同的边界条件，探讨不同载荷对凸齿镇压器沉降量和所需牵引力的影响以及不同沉降量对所需载荷及牵引力的影响。搭建了基于室内土槽的凸齿镇压器牵引试验平台，通过土槽试验对有限元分析结果的有效性进行验证。结果表明，有限元求解的牵引力与实测值相对误差为3．4％，并且有限元分析模型运行结果能准确

3、反映土壤的形貌变化特征；任意拉格朗日一欧拉方法有效解决了单元扭曲导致分析不收敛的问题；在恒定速度下，凸齿镇压器的沉降量和所需水平牵引力随着载荷的增大而增大，同样，沉降量的增大导致了所需载荷和牵引力的增加。该三维有限元模型可用于预测凸齿镇压器工作过程中的所需牵引力和土壤表面微形貌加工的作业效果，可为探索凸齿镇压器与土壤相互作用的机理，对凸齿形状进行改良与优化、以及作业条件与参数的选择提供参考依据。关键词：土壤；有限元方法；镇压器；机具．土壤相互作用；土壤表面微形貌加工；任意拉格朗日．欧拉方法doi：1

4、0．3969~．issn．1002—6819．2014．10．006中图分类号：$222．23；S152．9；0242．21文献标识码：A文章编号：1002—6819(2014)一10—0048一l1佟金，张智泓，陈东辉，等．凸齿镇压器与土壤相互作用的三维动态有限元分析[J]．农业工程学报，2014，3O(10)：48—58．TongJin，ZhangZhihong，ChenDonghui，eta1．Three—dimensionaldynamicfiniteelementanalysisofint

5、eractionbetweentoothedwheelandsoil[J]．TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE)，2014，30(10)：48—58．(inChinesewithEnglishabstract)随着计算机计算能力的逐步提高以及土壤本0引言构模型的曰益完善，在农业机械领域，有限元分析凸齿镇压器作为一种形状特殊的新型滚动触方法日益成为分析农机具触土部件和土壤相互作土工

6、作部件，其作业效率受到沉降量、载荷和作业用规律的有效工具。许多科研工作者使用有限元方速度等作业参数的影响，凸齿镇压器只有在有效的法研究了土壤和机具的相互作用的规律一l、分析了作业条件下作业，才能实现有效的土壤表面微形貌作业条件中影响机具作业效率的因素L9。由于大7jIjZ[¨。多数机具与土壤的接触问题都涉及到材料和几何为了提高该机具的作业效率，需要研究凸齿镇非线性，而有限元方法特别适于处理一些包含几何压器与土壤的相互作用。传统方法研究机具与土壤和材料非线性的问题，所以已经逐渐应用于分析机的相互作用主

7、要依靠土槽试验，然而，使用土槽试具与土壤相接触的问题¨¨J。验研究凸齿镇压器与土壤的相互作用的局限性在对于不同质地土壤，耕层作物残茬量、土壤含于特定的试验条件，如载荷、作业速度或加速度等，水率、土壤坚实度等会导致土壤物理机械特性差此外，一些物理量难以被现有的测试系统测量，而异，机具在这些土壤作业既有共性，也有各自的特且，试验结果的有效性还受制于测试设备的精确点[18-20]。共性主要表现为机具在不同作业条件下的性，另外，加工不同试验机具的周期长且成本高[2-51。作业参数具有相同变化规律；各自的特点

8、则主要体现为具体数值的差异，即所输出的具体数值的不同。机具在不同地区作业时，针对不同地区的不同收稿日期：2013-12—06修订日期：2014—04．16基金项目：国家自然科学基金资助项目(51075185)；国家农业科技成质地土壤，可通过测量所需的土壤参数，将其输入果转化资金项目(2013GB2360066t)有限元模型中，借助于本文所提供的有限元模型建作者简介：佟金(1957一)，男，吉林长春人，教授，博士生导师，立方法，探索不同作业参数对凸齿镇压器作业效果主要从