仿生镇压辊压实性能的有限元分析与试验验证
发布时间：2021-11-27 10:05
前期土槽试验结果表明,与传统镇压辊相比,采用Q235制成的正12面体仿生镇压辊的防壅土效果显著,但无法起到减粘降阻的效果。为此,采用有限元方法,从Mises应力云图、接触面积和位移云图3方面对比了正12面体仿生镇压辊和传统镇压辊的压实效果。结果表明:正12面体仿生镇压辊作用于土壤的Mises应力比传统镇压辊增加了40.07%,有利于种子与土壤紧密接触;正12面体仿生镇压辊与土壤的接触面积比传统镇压辊高3.10%,意味着正12面体仿生镇压辊起不到防粘的作用;正12面体仿生镇压辊对应土壤模型节点在X方向的位移比传统镇压辊降低5.88%,证实正12面体仿生镇压辊能起到一定的防壅土作用;两种镇压辊对土壤造成的Y方向的扰动范围及位移变化量相差不大,表明两种镇压辊压后土壤容重接近;正12面体仿生镇压辊造成土壤Z方向位移变化的最大值比传统镇压辊高出5.04%,意味着正12面体仿生镇压辊消耗的功要略高于传统镇压辊,与土槽试验结果吻合。研究结果可为农业机械触土部件压实性能的有限元分析提供数值模拟方法。
【文章来源】：农机化研究. 2020,42(11)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
RP的Y向位移
根据土槽试验所用传统镇压辊及优化得到的正12面体仿生镇压辊的尺寸,在ABAQUS软件中建立三维模型。镇压辊和正12面体仿生镇压辊材料均采用Q235钢,外径325 mm,宽200 mm,厚8 mm,正12面体仿生镇压辊的截面为内接于直径为325mm的圆的正12边形[3],建完三维模型后进行网格划分,如图2所示。将镇压辊看作离散刚体部件,在其中心位置设置参考点RP来控制它的运动,给RP定义点质量(0.1 t) 和转动惯量(2153.825 t·mm2)[20]。在对镇压辊进行网格划分时,选择了六面体网格,网格大小设定为12mm,网格单元采用R3D4,且采用自由网格划分技术划分。
研究结果表明,穿山甲在潮湿地带挖洞觅食时,其体表的鳞片基本不粘土[8]。为解决镇压辊作业过程中存在的粘附、阻力大、壅土的问题,研究前期学习穿山甲体表鳞片的多边形结构,设计出3种仿生镇压辊,分别为正12面体、正15面体和正18面体仿生镇压辊[3],并在室内土槽对比了它们与传统镇压辊的作业效果,所有镇压辊的材料选用Q235。试验结果表明:正12面体仿生镇压辊的种子粒距变化率最低,比传统镇压辊降低33.19%,说明防壅土效果最好,但没起到减粘降阻的效果。为解决这个问题,将正12面体仿生镇压辊的材料分别改为超高分子量聚乙烯(UHMWPE)和搪瓷涂层,经对比试验发现:较传统镇压辊,采用UHMWPE和搪瓷涂层的正12面体仿生镇压辊的粘附土壤量和阻力都要小,且采用UHMWPE时粘附土壤量最少,采用涂搪瓷涂层时阻力最低[3]。农业机械触土部件对土壤的作用是一个复杂的过程,土槽试验和田间试验均从宏观角度来研究农业机械触土部件的工作性能,不能从微观层面对农业机械触土部件与土壤的相互作用的行为规律进行系统分析。有限元方法特别适于处理一些包含几何和材料非线性的问题,许多学者使用有限元方法来研究农业机械触土部件与土壤的相互作用过程[9-16]。ABAQUS是国际上先进的大型通用有限元计算分析软件之一,在求解高度非线性问题上具有十分优异的能力[17-18]。为了进一步从土壤内部分析正12面体仿生镇压辊的压实性能,采用ABAQUS/Explicit显示动态分析模块,从土壤内部分析正12面体仿生镇压辊的压实性能,并与传统镇压辊进行对比。
【参考文献】：
期刊论文
[1]仿生多面体型几何结构镇压辊的设计与试验[J]. 张清珠,李默,张金波,李兵,魏玉兰,徐云杰,佟金,张智泓. 农机化研究. 2020(06)
[2]丘陵地区刚性镇压轮性能仿真与试验[J]. 刘宏俊,韩济远,陈佳奇,吕金庆,赵淑红. 农业机械学报. 2018(11)
[3]行间耕播机弹性可覆土镇压轮性能有限元仿真分析及试验[J]. 贾洪雷,郭慧,郭明卓,王立春,赵佳乐,范旭辉. 农业工程学报. 2015(21)
[4]仿形弹性镇压辊减粘防滑结构设计与试验[J]. 贾洪雷,王文君,庄健,罗晓峰,姚鹏飞,李杨. 农业机械学报. 2015(06)
[5]仿生镇压辊减粘降阻的有限元分析与试验验证[J]. 佟金,张清珠,常原,李默,张磊磊,刘昕. 农业机械学报. 2014(07)
[6]肋条型仿生镇压辊减粘降阻试验[J]. 佟金,张清珠,常原,陈东辉,董文华,张磊磊. 农业机械学报. 2014(04)
[7]土壤粘附机理的化学吸附分析[J]. 丛茜,任露泉,陈秉聪. 农业工程学报. 1996(02)
[8]穿山甲鳞片成分与结构及其减粘脱土分析[J]. 崔相旭,张宁,王煜明,任露泉,徐晓波,陈秉聪,李安琪. 农业工程学报. 1990(03)
[9]作物在田间的排列与分布问题[J]. 雷宏俶. 植物生理学通讯. 1963(01)
本文编号：3522058
【文章来源】：农机化研究. 2020,42(11)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
RP的Y向位移
根据土槽试验所用传统镇压辊及优化得到的正12面体仿生镇压辊的尺寸,在ABAQUS软件中建立三维模型。镇压辊和正12面体仿生镇压辊材料均采用Q235钢,外径325 mm,宽200 mm,厚8 mm,正12面体仿生镇压辊的截面为内接于直径为325mm的圆的正12边形[3],建完三维模型后进行网格划分,如图2所示。将镇压辊看作离散刚体部件,在其中心位置设置参考点RP来控制它的运动,给RP定义点质量(0.1 t) 和转动惯量(2153.825 t·mm2)[20]。在对镇压辊进行网格划分时,选择了六面体网格,网格大小设定为12mm,网格单元采用R3D4,且采用自由网格划分技术划分。
研究结果表明,穿山甲在潮湿地带挖洞觅食时,其体表的鳞片基本不粘土[8]。为解决镇压辊作业过程中存在的粘附、阻力大、壅土的问题,研究前期学习穿山甲体表鳞片的多边形结构,设计出3种仿生镇压辊,分别为正12面体、正15面体和正18面体仿生镇压辊[3],并在室内土槽对比了它们与传统镇压辊的作业效果,所有镇压辊的材料选用Q235。试验结果表明:正12面体仿生镇压辊的种子粒距变化率最低,比传统镇压辊降低33.19%,说明防壅土效果最好,但没起到减粘降阻的效果。为解决这个问题,将正12面体仿生镇压辊的材料分别改为超高分子量聚乙烯(UHMWPE)和搪瓷涂层,经对比试验发现:较传统镇压辊,采用UHMWPE和搪瓷涂层的正12面体仿生镇压辊的粘附土壤量和阻力都要小,且采用UHMWPE时粘附土壤量最少,采用涂搪瓷涂层时阻力最低[3]。农业机械触土部件对土壤的作用是一个复杂的过程,土槽试验和田间试验均从宏观角度来研究农业机械触土部件的工作性能,不能从微观层面对农业机械触土部件与土壤的相互作用的行为规律进行系统分析。有限元方法特别适于处理一些包含几何和材料非线性的问题,许多学者使用有限元方法来研究农业机械触土部件与土壤的相互作用过程[9-16]。ABAQUS是国际上先进的大型通用有限元计算分析软件之一,在求解高度非线性问题上具有十分优异的能力[17-18]。为了进一步从土壤内部分析正12面体仿生镇压辊的压实性能,采用ABAQUS/Explicit显示动态分析模块,从土壤内部分析正12面体仿生镇压辊的压实性能,并与传统镇压辊进行对比。
【参考文献】：
期刊论文
[1]仿生多面体型几何结构镇压辊的设计与试验[J]. 张清珠,李默,张金波,李兵,魏玉兰,徐云杰,佟金,张智泓. 农机化研究. 2020(06)
[2]丘陵地区刚性镇压轮性能仿真与试验[J]. 刘宏俊,韩济远,陈佳奇,吕金庆,赵淑红. 农业机械学报. 2018(11)
[3]行间耕播机弹性可覆土镇压轮性能有限元仿真分析及试验[J]. 贾洪雷,郭慧,郭明卓,王立春,赵佳乐,范旭辉. 农业工程学报. 2015(21)
[4]仿形弹性镇压辊减粘防滑结构设计与试验[J]. 贾洪雷,王文君,庄健,罗晓峰,姚鹏飞,李杨. 农业机械学报. 2015(06)
[5]仿生镇压辊减粘降阻的有限元分析与试验验证[J]. 佟金,张清珠,常原,李默,张磊磊,刘昕. 农业机械学报. 2014(07)
[6]肋条型仿生镇压辊减粘降阻试验[J]. 佟金,张清珠,常原,陈东辉,董文华,张磊磊. 农业机械学报. 2014(04)
[7]土壤粘附机理的化学吸附分析[J]. 丛茜,任露泉,陈秉聪. 农业工程学报. 1996(02)
[8]穿山甲鳞片成分与结构及其减粘脱土分析[J]. 崔相旭,张宁,王煜明,任露泉,徐晓波,陈秉聪,李安琪. 农业工程学报. 1990(03)
[9]作物在田间的排列与分布问题[J]. 雷宏俶. 植物生理学通讯. 1963(01)
本文编号：3522058
本文链接：https://www.wllwen.com/nykjlw/nygclw/3522058.html
