重庆市典型土壤耕作力学特性及深松性能研究

发布时间：2019-02-26 16:26

【摘要】：重庆市地处我国四川盆地东部,地形以丘陵、山地为主,目前主要使用微耕机进行耕作。由于长期浅耕造成犁底层加厚和土壤板结的问题,严重影响了作物的根系发育以及土壤的蓄水保墒能力,限制了农业生产水平的发展。土壤深松技术是农业保护性耕作四项技术之一,通过土壤深松可以打破坚硬的土壤犁底层,改善土壤的通透性,提高水分利用率,从而改善作物生长环境,提高作物产量。深松铲是实现深松作业的核心部件,深松机在田间作业的主要能耗来自于深松铲克服土壤阻力所做的功。深松铲的结构尺寸对深松作业的耕作阻力有着重要的影响,合理的结构参数能够有效降低耕作阻力,减少功耗,同时可以减少深松铲在工作过程中的磨损,增加其使用寿命。因此,为了提高深松铲在作业过程中的减阻耐磨性能,达到更理想的耕作效果,对深松铲作业时的运动过程以及耕作阻力的研究十分必要。本文以一种新型的仿生减阻深松铲作为研究对象,在研究重庆市土壤特性的基础上,运用光滑粒子流体动力学(SPH)对深松铲的耕作过程展开数值模拟分析,并通过虚拟正交试验,对深松铲的关键结构参数进行了优化,意在于寻求出一种适合于重庆市深松作业的高效减阻深松铲,以期为后续的深松铲设计及研究提供理论依据。主要研究内容和结论如下:(1)采用正交试验的方法对重庆市的三种典型土壤进行采样,研究其密度、含水率以及抗剪强度指标与土壤种类、采样点和采样深度之间的关系,并进行了误差分析和验证。结果表明,耕层土壤的基本物理和力学性质主要取决于土壤类型,与土壤采样点和采样深度的关系较小,土壤的各项参数可通过几组平行试验结果的数值平均获得。(2)通过三维造型软件Creo 3.0对深松铲进行三维实体建模,并基于SPH法采用ANSYS中的LS-DYNA模块对深松铲进行了切土动力学仿真分析。将仿真得到的耕作阻力与现有试验研究的结果进行对比,相对误差为3.3%,验证了通过切土动力学仿真预测耕作阻力的可行性。(3)采用重庆市紫色土的土壤性质参数作为SPH粒子模型的材料参数,对深松铲进行切土动力学仿真。结果表明,深松铲耕作阻力时程曲线的线型与之前所得基本一致,说明仿真结果正确,验证了所测土壤各项参数的正确性,即所测土壤参数能够用于深松铲切土动力学仿真。(4)采用虚拟正交试验的方法,选取深松铲的纵深比L/D、破土刃口夹角以及入土角α作为因子,通过深松铲切土动力学仿真,以耕作阻力为评价指标,分析了三个因子对深松铲耕作阻力的影响。结果表明,试验因子主次为ABC,所选因子水平下的深松铲最优组合为A1 B1 C3,即深松铲的纵深比为0.7、破土刃口夹角为55o、入土角为27o时耕作阻力最小。(5)对优化前后的深松铲进行同等条件下的切土动力学仿真,比较其耕作阻力的变化;并通过ANSYS中的Workbench模块对优化后的深松铲进行有限元静力学分析,分析深松铲在静力学条件下的变形、应力以及弹性应变情况。结果表明,优化后的深松铲耕作阻力减少25.7%,优化效果明显;优化后的深松铲在静力学条件下的最大等效应力为161.11MPa,远小于材料的许用应力[?]=1041MPa,在结构上能够满足作业过程中的强度和刚度要求。
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【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S222

【参考文献】