（农业机械化工程专业论文）基于动力学仿真的犁曲面工作性能影响因素的研究.pdf

基于动力学仿真的犁曲面工作性能影响因素研究 摘要 犁的工作性能好坏，即其翻土和碎土性能的好坏，主要由犁曲面的形 状决定。因此，通过对影响犁曲面工作性能( 牵引阻力和翻垡性能) 的因 素进行深入研究，找出其中的影响规律，为犁曲面的设计提供了理论依据， 具有重要的实用价值。 研究采用数学软件m a t h q m 建立翻土型犁曲面的数学模型，利用显式 动力分析软件a n s y s l s d 、i a 建立了犁曲面一土壤系统显式动力分析的 仿真模型，并通过物理样机试验验证了模型。采用二次回归正交旋转设计 的试验方法进行了仿真试验，制定了犁曲面翻垡性能指标的判定标准，通 过对试验数据的分析，分别建立了试验因素( 导曲线高度与开度比、导曲 线两端点切线夹角、切土角、耕作速度、最大铧刃角和最小铧刃角) 与牵 引阻力和翻垡性能之间的回归数学模型，分析了各因素及其交互作用对牵 引阻力和翻垡性能的影响规律；初步探讨了各因素及交互作用的影响机理， 得出切线夹角大时有利于减小牵引阻力，增强翻垡性能的结论。通过对试 验因素在切线夹角最大时进行优化，获得了综合优化因素的最优组合为： 导曲线高度与开度比1 6 4 ，切土角2 4 8 5 0 ，耕作速度2 0 4 n 1 s ，最大铧刃角 5 0 4 8 0 ，最小铧刃角3 2 7 9 0 。综合优化的较优组合下，犁耕牵引阻力为 4 4 0 k n 、翻垡性能指标达到8 0 。 关键词：犁曲面显式动力分析仿真牵引阻力翻垡性能影响机理 优化 s t u d yo ni n f l u e n c i n gf a c t o r so fp l o ws u r f a c e w o r n gp e r f o r m l c eb a s e dt h ed y n a m i c s i m u i 。a t i o n a bs t r a c t n e s h a p eo fp l o ws u r f a c ed e t e m i n a t e si t sw o r k i n gp e 响佃a n c ew h i c hi s t h eh a c ka n dt u m a b i l i t y s ob yd e e ps t u d yo nt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so nw o r k i n g p e 怕r m a n c ew h i c ha r et h et r a c t i o nr e s i s t a n c ea n dt l l mp e 怕m a n c eo ft h e s u r f a c e ， t h e i n n u e n c i n gp r i n c i p l e c a nb ef b u n d ，w h i c hh a sa n i m p o r t a n t s i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a lv a l u e sf 6 rt h ed e s i g no fp l o ws u r f a c e f i r s t l y ，i nt h es t u d yu s i n gm a t h e m a t i cs o f 咐a r em a t h o 气d ，t h em a t h e m a t i c m o d e lo ft u m p l o ws u r f a c ew a se s t a b l i s h e d 御s o ，as i m u l a t i v em o d e lo fe x p l i c i t d y n a m i ca n a l y s i s f o r p l o w s u r | a c ea n ds o i l s y s t e m w a se s t a b l i s h e db y a n s y s l s d 、? l 、i a ，a n dt h ep h y s i c a lt e s th a sv e r i f i e di t s e c o n d l y ，as i m u l a t i v e e x p e r i m e n th a sb e e nm a d e ，a n da r e rc o n s t i t u t i n gt h ec r i t e r i o ns t a n d a r do ft u m p e r f o r m a n c e ，b ya n a l y z i n gt h ed a t a ，t h er e g r e s s i o nm a t h e m a t i cm o d e l sb e t w e e n f a c t o r s ，w h i c hi n c l u d e sr a t i oo fh e i g h ta n do p e n i n go fo r i e n t e dc u r v e ，t a n g e n t a n g l e ，c u t t i n ga n g l e ，t i l l a g ev e l o c i t y ；t h em a x i b l a d ea n g l ea n dt h em i n i b l a d e a n g l e ，a n dt h et a 唱e t sw h i c hi n c l u d e st r a c t i o nr e s i s t a n c ea n dt u mp e 怕r m a n c e ， a r eb e e nm a d er e s p e c t i v e l y w h a t sm o r e ，t h ep r i n c i p l eo ft h ef a c t o r sa n dt h e i r i n t e r a c t i o n si n n u e n c i n gt ot h et a 唱e t sw a sa n a l y z e d b e s i d e s ，b yt h ep r e l i m i n a 巧 d i s c u s s i n go ft h em e c h a n i s mo ft h ef a c t o r sa n dt h e i ri n t e r a c t i o n si n f l u e n c i n gt o t h et a 略e t s ，t h ec o n c l u s i o ni st h eb i g g e rt a n g e n ta n g l ei sb e n e f i tf o rr e d u c i n gt h e t r a c t i o nr e s i s t a n c ea n de n h a n c i n gt u mp e r f o r m a n c e f i n a l l y ，u n d e rt h eb i g g e r t a n g e n ta n g l e ，t h er e s p e c t i v eo p t i m i z a t i o nw a sd o n e a tt h es a m et i m e ，t h e c o m p r e h e n s i v e l yo p t i m i z e df a c t o r sc o m b i n a t i o ni sg o t t e n ，w h i c hi st h er a t i oo f h e i g h ta n do p e n i n go fo r i e n t e dc u ei s1 6 4 ，c u t t i n ga n 9 1 ei s2 4 8 5 。，t i l l a g e v e l o c i t yi s1 6 5 m s ，t h em a x i b l a d ea n g l ei s5 0 4 8 。，a n dt h em i n i - b l a d ea n g l ei s 3 2 7 9 。 u n d e rt h ec o m b i n a t i o no fc o m p r e h e n s i v eo p t i m i z a t i o nf a c t o r s ， t h e t r a c t i o nr e s i s t a n c ei s4 4 0 k n ，a n dt h et u mp e r f b n n a n c ed a t ar e a c h e s8 o k e yw o r d s ：p l o ws u r f a c e ；e x p l i c i td y n a m i ca n a l y s i s ；s i m u l a t i o n ； t r a c t i o nr e s i s t a n c e ；t u mp e r f o r m a n c e ；i n n u e n c i n gm e c h a n i s m ；o p t i m i z a t i o n m 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 ：蚕被 7 卯汐年多月乏厂日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 口即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 做作者虢三孜导师签名 6 只劣目 基于动力掌仿真的犁曲面工作性能影响因素研究 1 课题来源、目的及意义 _ 上- j l 刖置 本课题来源于2 0 0 6 年广西农业机械研究院研究创新项目。 犁是农业田间作业的基本工具，在农业生产中起着重要作用。犁的工作性能好坏， 即其碎土和翻土性能好坏，主要由犁曲面的形状决定。如今，犁曲面形状的优化已成为 许多国内外学者研究犁体工作性能的关键。 近年来，随着计算机技术的普及，犁曲面的设计方法己由经验设计向以数学解析法 来描述和设计的方向发展【1 】，能适合各种数学模型的犁曲面轮廓线的形成原理与设计方 法是十分重要的。目前，国内外许多学者已使用解析法、遗传算法等方法提出了多种设 计犁曲面的数学模型【4 】，这些数学模型可以解决犁体曲面优化设计时高度非线性函数优 化求解难的问题，求解时间大大缩短。此外，犁曲面的研究和设计中也越来越多地引入 了有限元技术和仿真技术等i ，j ，、但是这些研究并没有综合考虑犁曲面的形成因素( 导曲 线的高度与开度、两端点切线夹角、切土角和直线段长度及铧刃角) 和工作因素( 犁体 耕作速度、耕深、耕宽) 等对牵引阻力和翻垡性能的影响，使得犁曲面研究成果的应用 受到限制。 因此，采用仿真技术综合研究犁体曲面的形成因素和工作因素对犁耕牵引阻力及翻 垡性能的影响，找出主要影响因素，研究其影响机理并优化参数，为优化和设计犁曲面 开辟了新思路和新方法，为今后犁体的优化设计与研究工作奠定了基础，具有重要的理 论意义和实用价值。 2 国内外研究现状 早在1 8 3 2 年意大利的兰姆勃洛新( l a m b r u s c h i n j ) 和理德尔费( r i d o l p h i ) 就提出了滚 垡型犁体的假想翻垡过程。他们将土垡抽象成为矩形断面的长土条，在翻转过程中，把 土垡断面形状看作是既不变形又不破裂的刚体。因此，将犁曲面抽象为垂直于以矩形断 面土垡条的一棱边为轴线的直元线，在其作等矩移动和等速转动时而形成曲面。将这种 曲面作为犁体曲面，便是正螺旋面。这样的土垡翻转过程称为“假想土垡的翻转过程 。 | l 于动力掌仿真的犁曲面工作性能影响因素研究 一百多年来，设计者一直将其作为犁体曲面设计的基本依据之一1 4 】。 近年来，利用参数化设计、仿真技术研究犁曲面，逐渐成为犁体曲面设计的新亮点。 这种方法解决了作图法设计犁体曲面，绘图工作量大且重复进行等问题，缩短了犁体曲 面的设计周期，从而提高了设计质量。 2 0 0 4 年，意大利那布勒斯大学的a f o 唧a t o 等人采用数字仿真的方法对犁壁和土壤 直接的交互作用的现象进行研究1 1 5 】。 此外，还有一些最新的测量技术引入了犁曲面的设计中。同是2 0 0 4 年，西班牙阿 尔梅尼亚大学的m 八a g u i l a r 等人使用近距数码摄影测量法对犁体曲面进行更精确的建 模【1 6 】。该方法是一种准确、可靠、灵活并且经济的坐标测量技术，为犁曲面的数字化建 模提供了良好的基础。 近几年来，我国对犁体曲面设计及其形成原理的研究已经取得了很大的进展，特别 是犁体曲面形态和犁体曲面数学模型的描述对犁体曲面的解析设计起了重要作用。 2 0 0 0 年，西北农林科技大学的何志民等将现代计算机设计软件a 如应用于农业机 械设计领域，提出水平直元线犁体曲面参数化设计思想。对水平直元线法设计犁体曲面 进行了重新认识，用解析法代替作图法，利用计算机高速精确计算能力解决传统犁体曲 面设计费时且不准确的缺点。他们提出利用面向对象编程的可继承性，在水平直元线犁 体曲面参数化设计软件的基础上，进一步编写其它类型犁体曲面参数化设计软件的思路 1 1 7 l o 2 0 0 1 年，西北农林科技大学的杨青等采用改进的遗传算法求解高速犁体曲面的优化 模型，将犁体曲面形状的几何参数与耕后质量、所耕土壤的物理力学性质、耕速、阻力 和功率消耗有机地联系起来。以古典土垡翻转理论为依据，从微分几何角度出发，将宏 观土垡翻转与农业微观土垡微元受力分析相结合，用土迹线模拟法建立以功率消耗为目 标函数、以技术要求为约束条件的犁曲面数学模型。在此基础上，并针对犁体曲面优化 设计时高度非线性函数优化求解难的问题，提出用遗传算法( g a ) 对其求解；并根据犁曲 面的实际问题，对遗传算法进行了改进和仿真试验。试验结果表明，采用这种方法可以 解决犁体曲面优化设计时高度非线性函数优化求解难的问题，求解时间是复合型法的 1 3 6 0 【4 l o 2 0 0 3 年，南京大学的庞明勇等人通过引入三角形控制网格的l o o p 细分方法，提出将 计算机辅助几何设计( c a g d ) 技术与现有g 系统、有限元计算和动态仿真系统相结合， 形成基于o p e n g 骄境或c a d 二次开发环境的复杂犁体曲面造型的细分方案；并研究和 2 | l 于动力曹考真的犁面工作性能影响因素研完 设计连续复杂犁体曲面的工作框架，并对这一框架中诸如犁体曲面控制网格的生成、细 分曲面的边界限定和局部控制等关键技术进行了讨论。利用l o o p 细分方法可以有效缩短 复杂犁体曲面的造型、计算和分析时间吲。 综上所述，可以把迄今为止的犁曲面的设计方法归纳为以下四种： 1 试修法。是一种古老的，但至今仍然采用的设计方法。 2 几何动线作图设计法。是目前应用比较广泛的设计方法之一，主要有水平元线设 计法、倾斜元线设计法、翻土曲线设计法等。 3 数字解析设计方法。即在分析研究犁耕工艺过程的基础上建立单元土体受曲面作 用的力学模型，进而将犁体曲面的几何参数与土壤的物理力学性质、犁耕工况等因素综 合加以研究，通过统一设计方程进行的定量设计，从而达到犁曲面的最优化设计。 4 动态仿真方法。即在分析研究犁曲面过程中，通过动态仿真技术对犁曲面进行造 型、计算和分析。 3 课题的目标 采用数学计算软件m a t h a 如、数学优化软件m a t l a b 、大型三维建模软件 p r o e n g i n e e r 、显式动力分析软件a n s y s l s d y n a 以及试验设计方法等，建立翻土型 犁曲面一土壤系统显式动力分析的仿真模型，并进行了仿真试验和显式动力学分析；研 究犁曲面的形成因素、犁耕工作因素对牵引阻力和翻垡性能的影响规律及影响机理，并 对各试验因素进行优化，得到综合优化结果。 4 课题的研究内容及研究方案 4 1 研究内容 1 ) 确定犁曲面工作性能的影响因素( 包括犁曲面的形成因素和犁耕工作因素) 。 2 ) 建立翻土型犁曲面的数学模型及犁曲面一土壤系统显式动力分析的仿真模型， 并进行物理样机试验验证。 3 ) 采用试验设计方法设计并进行仿真试验，建立主要影响性能指标( 包括牵引阻 力和翻垡性能) 的多因素数学模型。 4 ) 研究各试验因素对性能指标( 包括牵引阻力和翻垡性能) 的影响规律及影响机 理。 5 ) 利用m a t l a b 软件对各试验因素进行优化和综合优化( 包括优化方法、优化技术 路线研究) 。 3 广西大掌硕士掌位论文 k 于动力掌仿i l 的犁曲面工作性能影响困 研完 4 2 研究方案流程图 5 显式动力分析软件的相关介绍f 1 8 】 l s d y n a 是功能齐全的非线性显式分析程序包，由l s t c 公司开发。能够模拟真 实世界的各种复杂问题，特别适合求解各种二维、三维非线性结构的碰撞、金属成型等 非线性动力冲击问题，同时可以求解传热、流体及固流耦合问题。在工程应用领域被广 泛认可为最佳的分析软件包。与实验的无数次对比证实了其计算的可靠性。 a n s y s l s d y n a 是a n s y s 公司与l s t c 公司联合推出的一款通用显式动力有限 元程序，该程序将显式计算程序l s d y n a 与a n s y s 仿真分析环境有机的结合在一起， 可以完成各种高度非线性的瞬态动力过程的分析。a n s y s l s d y n a 应用广泛，可以进 行几乎所有交通工业的碰撞分析，并可以进行整车碰撞和局部各部件的碰撞分析，如图 1 、2 、3 所示；制造过程中可以模拟拉伸、液压、超塑成型、滚压、挤压、冲压、加工、 4 基于动力掌仿，l 的犁曲面工作性能影响因素研究 钻孔等过程，并且几乎所以的成型过程都可以用l s d y n a 模拟；此外，大范围的接触 类型分析、非线性弯曲、突然弯曲( 失稳) 、声波传播、失效分析均可以试验该程序分 析。 图1 汽车虚拟石子路行驶试验图2 核反应堆抗冲击性能分析 图3 弹靶浸彻模拟 f i g 1m o t o rv i r t u a lc o b b l e s t o n ef i g 2n u c l e a rp i l es h o c kf i g 3s i m u l a t i o no fb u l l e t r o a dr u n n i n gt e s tr e s i s t a n c ea n a l y s i s e r o d i n gt a 玛e t l s d y n a 可以求解的类型包括：几何非线性( 大位移、大转动和大应变) 、材料 非线性( 1 4 0 多种材料动态模型) 和接触非线性( 5 0 多种) 等。l s d y n a 程序提供了 1 0 0 多种各类金属以及非金属材料模型，可以用来模拟各类实际材料，如各类弹性材料、 弹塑性材料、超弹性材料、泡沫材料、地质材料、玻璃、土壤、混凝土、流体、复合材 料、高能炸药及起爆燃烧后的气体、刚体等，相关的材料模型在分析中可以计及材料的 失效、损失、粘性、蠕变、与温度相关、与应变率相关等各种性质。a n s y s l s d y n a 中的材料模型分为如下类型：线性弹性模型、非线性弹性模型、非线性塑性模型、非线 性泡沫材料模型、需结合状态方程定义的模型、离散单元模型和刚体材料模型。 l s d y n a 是以l a g r a n g e 算法为主，兼有a l e 和e u l e r 算法。l s d y n a 程序的空 间离散主要采用l a g r a n g e 方法，其单元网络与结构是重合的，网格随着结构的变形而变 形。对于e u l e r 网格，网格点只是空间点，与分析的模型之间没有依附关系。程序计算 的结果使得材料的物质在固定的空问网格中流动。对于削l e 网格，可以理解为两重网 格开始时重叠在一起，一个是空间点网格，另一个是附着在材料上的网格，并随着材料 在空间网格中运动，a l e 与e u l e r 区别在于，a l e 的空间网格也可动，材料网格在 l a g r a n g e 时步变形之后，通过物质输运算法 映射到空间网格中。 l s d y n a 的主要算法采用跟踪质点运 动轨迹的l a 黟a n g i a n 增量法，对初始时刻的 物质质点运动轨迹进行跟踪。沙漏 ( h o u r g l a s s ) 模式是l s d y n a 3 d 采用单点 鼷栅 图4 沙漏变形 f i g 4h o u 唱l a s s sd e f o r m | i 于动力掌仿i l 的犁曲面工作性能影响因素研究 高斯积分算法时引起的一种非物理的零能变形模式。它产生于自然振荡并且比所有结构 响应的同期要短得多，该模式将产生零应变和应力。沙漏模式仅发生在减缩积分( 单积 分点) 体、壳和厚壳单元上。沙漏没有刚度并产生锯齿形外形称为沙漏变形( 如图4 所 示) 。沙漏能影响实体和四边形单元以及二维单元，但不影响三角形壳单元，三角形2 d 或梁单元。 控制沙漏模式的一种方法就是调整模式的体积粘性。另一个控制沙漏变形的方法是 使用s h e l l l 6 3 和s o u d l 6 4 单元的全积分方法。另外，增加模型的弹性刚度也可以控 制沙漏变形。沙漏可能出现在小位移情况，特别是使用动态松弛。在这种情况下，应增 加模型的弹性刚度，而不是体积粘性值。此外，好的建模可以防止产生过度沙漏。基本 原则是使用均匀网格，避免在单点上集中加载。由于激活的单元把沙漏模式传递给相邻 单元，所有点加载应扩展到几个相邻节点组成的一个面上。一般来说，整体网格细化会 明显地减少沙漏的影响。 在l s d y n a 程序中，不同运动物体之间的接触不是用接触单元模拟的，而是采用 定义可能接触的接触表面，指定接触类型以及与接触有关的一些参数，在程序计算过程 中就能保证接触界面直接不发生穿透，并在接触界面相对运动时考虑摩擦力的作用。 l s d y n a 程序全自动接触分析功能易于用户使用，功能强大。现有4 0 多种接触类型可 以求解下列接触问题：变形体对变形体的接触、变形体对刚体的接触、刚体对刚体的接 触、板壳结构的单面接触( 屈曲分析) 、与刚性墙接触、表面与表面的固连、节点与表 面的固连、壳边与壳面的固连、流体与固体的界面等，并可考虑接触表面的静动力学摩 擦( 库伦摩擦、粘性摩擦和用户自定义摩擦类型) 、热传导和固连失效等。 l s d y n a 的求解过程是通过计算并执行s o l 、呢命令过程中自动形成的一个模型 数据文件进行。该模型数据文件被称为关键字文件( k 文件) ，它是一个a s c i i 格式的 文本文件，其中包含所要分析问题的全部信息，如节点、单元信息、材料与状态方差信 息以及接触、初、边值条件和载荷信息等。这些信息都是以l s d y n a 的关键字命令 ( k e y w o r d ) 的格式表达的。a n s y s l s d y n a 用户可以通过修改关键字文件，对 模型进行局部的修正而避免大量的改动或重新建模，然后再递交l s d y n a 求解器进行 分析。 6 本章小结 阐述了课题的来源、研究目的及意义，分析了国内外的研究现状，说明了课题的研 6 | i 于动力掌仿鼻的犁曲面工作性能影响因素研究 究目标和内容，给出了研究方案流程图。最后，对课题主要使用的显式动力学分析软件 a n s y s 璐d y n a 做了简要介绍。 7 广西大掌硕士掌位论文 基于动力掌仿真的犁曲面工作性能影响因素研究 第一章犁体曲面的翻垡原理及实体模型的建立 1 1 犁体曲面的翻垡原理 犁体曲面由胫刃线、铧刃线、犁铧翼边 线、犁壁翼边线和顶边线组成，如图1 1 所 示。铧刃线在水平面开出沟底，胫刃线在沿 前进方向上的铅垂面内开出沟墙，形成一耕 深为a 、耕宽为b 的矩形断面土垡条。犁体 曲面的功能就是起土、翻土和碎土【2 0 】。对于 翻土型犁曲面，“假想土垡翻转过程”中的 假定为：土垡断面( 矩形) 在翻转中不破裂、 不变形、无侧移【2 。 翻土型犁曲面的工作过程为： 切垡铧刃和胫刃分别沿水平面和垂 直面切出土垡的底面和左侧面，其耕 深为a 、耕宽为b ； 推垡被切出的土垡在犁铧面和犁胸 的作用下，左边被抬起，绕右下角d 点回转； 翻垡土垡在回转过程中，通过直立 状态，然后在犁翼作用下继续绕点 c 回转，最后靠在前一行程的土垡 上。如图1 2 所示。 由于假定土垡在翻转过程中不变形、无 侧移并且始终绕一棱角转动，所以每一垡片 在翻转后均保持确定的几何位置。 图1 1 犁体曲面的物理样机 f i g 1 1p h y s i c a lm o d e lo fp l o ws u r f a c e 。啦 婀嘲泄，；、哆 r l 蕊彩。二、 图1 2 翻垡过程 f i g 1 2t u mp r o c e s s | k 于动力掌仿，“由犁曲面工作性能影响因素研究 实现土垡的稳定铺放( 不出现回垡现象) 是犁体曲面设计时的关键。是否回垡主要 取决于犁曲面的形状，或者说是犁曲面的设计参数， 以及耕深和耕宽的大小。 当土垡翻转至最终位置时，如果垡片中心0 1 在 支撑点o 的右侧，则可保证稳定铺放；若在正上方则 为临界状态( 不稳定状态) ，如图1 3 所示；在左侧 会产生回垡现象。很显然，在耕深不变的情况下，耕 宽的改变可对土垡的稳定铺放产生重要的影响。 以临界状态为研究对象，确定土垡翻转过程中不 产生回垡的基本条件，为犁体曲面的设计提供了依 二 0 图1 - 3 土垡翻转l 临界状态 f i g 1 3c r i t i c a ls t a t ef o rs o i l t u m o v e r 据。经过计算1 2 0 1 ，一般要求土垡的宽深比k 1 2 7 。k 值大些可以使翻垡稳定，但过大， 则使单犁体幅宽过大，垡块大，形成的垄沟较大。常用的数值范围为：轻沙壤土， k = 1 1 。1 5 ；一般土壤k = 1 3 2 ：黏重潮湿土壤k = 2 3 。 1 2 犁曲面数学模型的建立 犁体曲面的几何元线作图设计法是目前应用比较广泛的设计方法之一，由水平元线 形成的犁体曲面的性能主要取决于水平元线的运动规律。目前，这种设计方法不仅应用 于犁体曲面的设计，也广泛应用于其他耕耘机械的工作曲面的设计。 1 2 1 导曲线的参数确定1 2 0 1 导曲线的形状是一段抛物线，位置在垂直于铧 刃的垂面内，此铅垂面在铧刃上的不同位置，对于 碎土型犁体，该铅垂面位于距犁铧尖端2 怕处；对 于翻土型犁体，位于距铧尖z 处，z 为铧刃线长度。 导曲线的位置直接影响曲面形状和性能。如图1 - 4 所示，导曲线的形状由开度l 和高度j i l ( 取犁体曲 面顶边线最大高度j i l 哪) 、两端点切线夹角、切土 9 图1 4 导曲线 f i g 1 4o r i e n t e dc u n ，e | l 于动力掌仿鼻的犁曲面工作佳能影响因素研究 角和直线段长度s 确定。 根据经验【2 2 1 ，一般翻土型犁曲面的导曲线高度与开度比1 1 = 1 5 1 6 ；切土角 e - 1 5 0 一2 5 0 ；铧刃下部的直线段长度s = 3 0 一6 0 m m 。两端点切线夹角一9 0 0 + + 占， 一般越大，犁曲面翼部扭曲越大，翻土效果越好，对翻土型犁曲面1 0 5 0 1 1 0 0 。 j i i 与耕深口和耕宽6 之间的关系【2 2 】为： j i l 一= 口2 + 6 2 ( 1 1 ) 式中，l ；0 2 伽，当口s1 锄取正值；否则，取负值。 深耕犁的作业深度大概在3 5 0 m m 一4 5 0 m m 左右。根据深耕犁翻垡的实际情况闭，取 耕深a = 3 5 0 m m ，耕宽b = 4 5 0 m m ，土垡的宽深比k = b a = 1 2 8 。根据式( 1 1 ) ，取j l = 0 ( 考 虑理想土壤情况) ，则i l 咖= 5 7 0 m m 。 根据翻土型犁曲面元线角的变化规律，如图1 5 所示，翻土型的犁胸比较平缓，翼 部则扭曲较大；工作时，覆盖性能较好，阻力较小。 毒 图1 - 5 翻土型犁体曲面元线角变化规律 f i g 1 5g e n e r a t r i xa n 出ec h a n g er e g u l 盯o ft u m p l o ws u r f a c e 图1 - 5 中，第一段元线角从日。递减至口曲，递减的规律可以是任意曲线。吼是初始 元线角，是铧刃线与沟墙的夹角。口。；。处在犁铧和犁壁的接缝线处。对于翻土型犁体， 吼= 3 5 。，4 0 。，i n = 靠- ( 1 。2 。) ；一般先i n 的所在高度为z 岫= 5 1 0 c m 。 第二段元线角从口晌增大至口一，口一在最高一条元线处( 相应的高度为z 一) ，对 于翻土型犁曲面，钆缸= 吼+ ( 7 。1 5 。) 。 根据相关资料【2 0 1 ，求得各元线角的值： 1 0 | l 于动力掌仿真的车曲面工作性能影响因素研完 日( ，t ) = 口。咖+ 措。( 口。一口晌) ( 1 2 ) 式中，z ( n ) 为从犁体基面往上第n 根水平元线的高度，z o ) 一九幽，7 l 为水平元线 之间的高度间隔。 1 2 2 导曲线的数学模型 根据图1 6 ，直线l 和儿的万程司分别为： i ：y z t 柚占 ( 1 - 3 ) l i ：y = j i l 一一o 一三) t a n ( 9 0 。一) ( 1 4 ) 直线i 上s 线段末d 点的坐标为： p d p 啷占 ( 1 - 5 ) l y d s s i n 直线i i 上导曲线上端点b 的坐标为： p b 乩 ( 1 - 6 ) 1 y 口= 一 w 直线i 和直线i i 交点的坐标，可通过联立 式( 1 3 ) 和式( 1 4 ) 求得： 卜铩等等 仆7 ， 图1 石导曲线的形成原理 f i g 1 _ 6f 0 m a t i o no fo r i e n t e dc u r v e 因点d 与点e 之间的线段和点b 与点e 之间的线段被分成相同的所段，直线i 上 第f 点的坐标为： 盼篡荤 ( 1 8 ) 基于动力掌仿l 的翠曲面工作性能影响因素研竞 ( f ) 。而一f 世 班 ( 1 9 ) $ ( f ) y 。+ f 她 ，竹 图1 6 中，在z ( n ) 高度做一水平线与上述直线相交，得到交点的横坐标为 工( 以，f ) i ，x ( f ) + 【z ( 厅) 一f z g ) 】。鞠 ( 1 1 0 ) 逐个将直线i 和直线i i 上相应的点连接，求出 这一组数中的最小值。即是导曲线上相应于元线号 露的开度数值，坐标为 p ? i 畎叩曲 ( 1 - 1 1 ) l z q ) ；7 l 厅 1 2 3 犁体曲面的数学模型表达式 假设第厅根直元线与导曲线交点的坐标 如0 ) 、归0 ) ，由图1 7 中的俯视图，得到以下 几何关系【刎 p ( 疗) _ d d ：伽吼+ 工( 甩) s i n 口。( 1 1 2 ) 、工一上- 7 l y d ( ，1 ) = d d 。s i n 吼一z ( 疗) 。c o s 岛 其中，吼为初始元线角。 经过整理，得到曲面元线表达式为 图1 7 犁体曲面轮廓图 f i g 1 7p l o ws u 血c ec o n t o l l r ztz ( 刀) y t y ) 一归0 ) + t a n 口0 ) 【x ) 一加0 ) 】 ( 1 一1 3 ) l x = x ( 甩) 一【y ( 忍) 一归( ，1 ) + t a n 口( 以) 。加( ，1 ) 】t a n 日( n ) 1 2 4 犁体曲面的轮廓 根据相关资料l 捌，犁体曲面的轮廓如图1 7 主视图所示，各元线与胫刃线a f 交点 的坐标为 1 2 基于动力掌仿l 的犁曲面工作性能影响因素研究 f ) ，。o ) = o 卜一世号鬻竽型 i ”- ， i z ，o ) 一z ( 玎) f z ：o ) ；z o ) 卜= 盟号寒产趔 i y 2 0 ) 一z ( 咒) t a n 6 + a 6 ( 1 1 4 ) ( 1 1 5 ) ( 玎) 竺出咀二型堕塑墅! ：丝熊 ”7 t a l l 日0 ) + 1 t a n “ y ，o ) 一y d q ) + t 卸日o ) 。b ：o ) 一如o ) 】 ( 1 1 6 ) z 3 ( ，1 ) = z o ) 各元线与项边线段g f 交点的坐标为 y 。( 咒) = 6 一j i - 二i 二i 而 “小半型嵩产型 z 。0 ) = z ( 咒) 与顶边线段e g 交点的坐标为 y ，o ) = 6 + 履瓦而 拍) 一业趔高产 z 5 0 ) z ( 咒) 1 2 5 在m a t h c a d 中建立犁体曲面的数学模型 ( 1 1 7 ) ( 1 1 8 ) 由于p r 0 e 中使用国际单位m m ，故在m a t h c a d 中需将犁曲面的尺寸单位定义为 国际单位m m 【2 6 1 。 选择耕深a 、耕宽b 、导曲线高度与开度比t 1 、直线i 和i i 被分的份数m 、切土角、 导曲线两端点切线夹角、直线段长度s 、初始元线角吼、元线号n 、元线角曰( n ) 、防 1 3 | l 于动力掌仿，l 的翠曲面工作性能影响因素研究 漏耕的重叠宽度酗( 6 = 2 0 3 0 衄) 和最小元线角所在高度z m i n 为自变量【2 2 1 。其中，a 、 b 、m 、s 、吼、曲和z m i n 为固定自变量；卟e 、n 和伏n ) 为可变自变量。 土垡的耕深和耕宽为a = 3 5 0 m m 、b = 4 5 0 m m ，犁曲面最高点j i l 一= 5 7 0 m m 。选择适当 的直元线数目不仅能较准确地表达犁曲面的形状，还不会过多地增加绘制犁曲面所需的 时间，因此选取j l = 3 0 m m ，故直元线数目为2 0 条，元线号n 的取值范围为o 一1 9 。直 线段长度一般为s ：3 0 6 0 m m ，当s 取大值时，翻土作用较强【2 9 1 。因此取s = 6 0 m m 。防 漏耕的重叠宽度6 = 2 0 m m ，直线i 和i i 被分的份数m = 7 【2 2 】，初始元线角钆= 3 6 。【矧， z m i n = 9 0 m m 【2 0 1 。 根据相关资料【删，求得土垡铺放角d = 5 1 0 6 。，铧刃线末端点b 的坐标为( “7 ，4 7 0 ，0 ) ， 壁翼线端点e 的坐标为y e = 6 5 5 ，z e = 5 6 0 ，壁翼线与铧翼线的交点d 的坐标为y d = 2 5 3 ， z d = 9 0 ，如图1 7 主视图所示。 分别将式( 1 5 ) 、( 1 6 ) 、( 1 7 ) 、( 1 8 ) 、( 1 9 ) 及各自变量的值代入式( 1 1 0 ) ，得 到石0 ，f ) 的具体表达式： i l + 垒t 锄 一)i l + 垒t a i l 一占) z o ，f ) 一s 。c o s + f t a n 一) + t a n j l l + 垒砌n 一) ，7 t a n 一) + t a n + 【h n s s i n s + f t a n 一) + t a n f 塑一垒 璧竺生一占 一f ! 竺丝二兰! ! 竺兰望一s c o s 一f ! 竺丝二! ! ! 竺三 j i l + 垒t a n 一) j i l j l i + 垒t a n 一)j l + 鱼t a n ( 一) t a n 一) + t a n t a n f s s i n 一f t a n 一占) + t a n t a n 一) + t a n 历肌 ( 1 1 9 ) 式中，切线夹角和切土角均用弧度表示，i 的取值为1 一m 。 n 从o 开始依次取值，得到的第一条直元线为铧刃线。在n 不改变的情况下，由不 同的i 值得出不同的工似f ) 各值，找出其中的最小值赋给x q ) 并代入式( 1 - 1 2 ) 得到如o ) 、 y d o ) 的值。将式( 1 2 ) 和妒o ) 、归0 ) 及元线号n 、参数九( 取值范围为0 4 0 5 ) 代 入式( 1 1 3 ) 得到直元线表达式，同时将加o ) 、归o ) 和式( 1 2 ) 代入式( 1 1 4 ) 、( 1 - 1 5 ) 和( 1 1 6 ) 得到胫刃线、铧翼线和壁翼线轮廓点坐标，并通过式( 1 1 7 ) 和( 1 1 8 ) 求 1 4 广西大掌硕士掌位论文基于动力掌仿真的犁曲面工作性能影响因素研究 出顶边线轮廓点坐标。由轮廓点的横坐标值确定直元线方程中x 的取值范围。改变元线 号n 将得到一系列直元线的参数方程，即犁曲面的数学模型，见附录一。 在建立直元线表达式过程中，通过改变可变自变量的值，可以得到不同的直元线表 达式，从而得到不同的犁曲面模型。 1 3 犁体曲面实体模型的建立及输出 创建新文件时使用模板m m - n s 单位【2 6 】。 通过犁曲面数学模型，在p r 0 e n g i n e e r 中创建犁体曲面的实体模型。采用“通过方 程建立基准曲线”的方法【3 0 1 ，输入直元线的参数方程，建立犁体曲面的各条水平直元线。 使用“边界混合( b ) ”命令将直元线连成曲面，并通过“加厚( k ) ”命令加厚曲面生 成犁曲面实体，如图1 - 8 所示，曲面厚度f = 6 0 m m ( 实测值) 。 图1 8 犁体曲面实体模型 f i g 1 8m o d e lo fp l o ws u r f a c e 将犁曲面实体模型保存为通用图形转换标准的i g e s 接口文件导出。 1 4 本章小结 阐述了犁曲面的翻垡原理及导曲线的形成原理，说明了建立犁曲面数学模型的主要 步骤，建立了犁曲面的数学模型和实体模型。 广西大掌硕士掌位论文基于动力掌仿真的犁曲面工作性能影响因素研究 第二章显式动力学有限元分析 2 1 显式动力分析建模 2 1 1 几何建模与单元选取 建立尺寸为2 0 0 0 m m 5 1 0 m m 4 1 0 m m 的土垡条实体模型，为体现犁曲面对土壤的 破坏作用，土垡条的尺寸在耕深和耕宽方向上分别加大了6 0m m 。如图2 1 所示。 为便于测出翻垡性能的指标，建立了一块尺寸为1 4 0 0 m m 9 0 0 m m 6 0 m m 的辅助土 壤作为地面，位于土隼条的耕宽方向上，与土垡条无边界重叠。如图2 2 所示。 图2 1 创建土垡几何模型 图2 2 土壤j 乙何模型 f i g 2 1s o i lg e o m e t r i cm o d e le s t a b l i s h m e n t f i g 2 2s o i lg e o m e t r i cm o d e l 通过a n s y s 与p r o e 的接口模块，将犁曲面实体模型导入a n s y s l s d y n a 中。 a n s y s 中规定，不同问题可以使用不同的单位，只要在一个问题中各物理量的单 位统一就可以1 1 9 】。在p r o e 中建模所采 用的是m m k g s 单位系统，若导入 a n s y s 后仍采用该单位系统，将造成犁 曲面一土壤系统的模型体积大，占用内 存多，运算速度慢等问题，因此a n s y s 中采用c m - k g m s 的单位系统，即需将犁 曲面模型的单位由“m m ”转化为“c m ”， 如图2 3 所示。调整犁曲面的位置，使 其铧尖坐标为( 一1 0 ，0 ，0 ) 。 幽2 3 模型缩小 f i g 2 3d i m i n i s h m e n to fm o d e l 基于动力掌仿，l 的犁曲面工作性能影响因素研究 选择三维s o l 1 6 4 单元为犁曲面和土壤模型的单元类型。 该单元的基本特征为【1 8 l ： ( 1 )三维实体单元，具有8 个节点，每个节点具有9 个自由度，即u x 、u y 、u z 、 v x 、vy 、v z 、a x 、a y 、a z ， 但只有位移是实际意义上的物 理自由度。 ( 2 ) 该单元在默认情况下，采用单点 积分算法( c 0 n s t s t r s s ) ，也可 以在单元属性设置对话框中( 如 图2 5 所示) 设置为全积分单元 算法( f u ui i l ts 瓜) ，这可以避 免出现沙漏问题，但是运算时间 会增加。 c 枞b n 5f o rs 。lr d l 6 ，e i 帅1 e n tt mr e f + l 5 0 k d e b r n 矾f 吖州鞋b n 广二塑基虫跣 疗f u i i r ts ，r h 6 【e r 蚓c o n a r n j n # l w rlp a r ta l e ! 竺!