耕整联合机通用刀片应力仿真及试验

东北的松辽黑土区面临着耕地面积减少，水土流失严重等问题，发展保护性耕作成了一种解决上述问题重要的方法。大马力联合作业可以实现一次进地完成多项作业，从而减少了对土壤的破坏，提高了作业质量。但需要研制新机具来适应大马力拖拉机，其中机具的结构配置、触土部件的性能对整个机具的作业功率消耗有很大的影响，因此需多次研究和试验才能达到理想的设计效果。随着计算机技术的发展，计算机仿真中的有限元和离散元等CAE技术，能使得我们在相对真实的环境中对特定产品进行性能分析、模拟、评价和优化，这极大的简化了设计任务，而且对我们制定机构设计方案和验证其可行性、可靠性具有重要参考价值。本论文以大马力耕整联合作业机通用刀片为研究对象，通过有限元软件ANSYS中的动力显式模块LS-DYNA来模拟通用刀片切削土壤的过程，分析刀片与土壤的相互作用关系，并用土槽试验来验证模拟的正确性，进而对刀片进行优化设计。在仿真模拟中，选用修正后的Drucker-Prager模型，经过查阅文献和实验的方法确定土壤模型的各个参数，对模拟进行定义，把定义的土壤模型通过修改K文件的方式加入到仿真分析中，之后模拟通用刀片单刀切削土壤的过程并查看，可得知三个方向分力的变化趋势，且刀片X、Y、Z三向分力分别为566.39N、182.18N和278.85N，同时可以看出刀片在侧切削刃处有应力集中。验证模型的正确性，设计了土槽单刀切削试验测试系统，分为试验结构系统和数据采集系统。试验结果验证了前面仿真模拟的正确性，对数据分析，在测试范围内，当转速一定时，前进速度越大刀片所受耕作阻力越大；当前进速度一定时，转速越大也有同样的结果。为找到三向力的规律，通过Matlab对数据进行曲线拟合，得到三个分力的拟合曲线。X方向拟合曲线近似于正余弦曲线，其方程式为：Y方向拟合曲线近似于正余弦曲线，其方程式为：Z方向拟合曲线近似于抛物线，其方程式为：因在刀片侧切削刃有应力集中，通过MATLAB遗传算法进行优化设计，侧切削刃刃口为阿基米德螺线，以刀片功耗为优化目标，对工作参数ν、R、n、k进行优化，优化结果分别为：0.78m/s，0.243m、233n/min、2.78。本论文对以后通过有限元软件，并合理选取土壤模型，其仿真结果对以后新机具的开发设计有一定的理论参考意义。