基于物质点法的土壤切削过程数值模拟分析

在土壤切削数值模拟研究中,常见的有限元法会因网格扭曲变形严重而减慢甚至终止,而离散元法存在土壤参数标定复杂等问题。针对以上问题,为提高土壤切削数值模拟精度,采用数值计算方法——物质点法,基于土壤的理想弹塑性本构关系以及莫尔-库伦失效准则和最大主应力失效准则建立了土壤切削模型。将数值模拟结果同已发表的试验数据对比,发现在土壤不同区域的变形预测及其动态演化过程中,本文数值模拟结果同试验结果高度吻合:剪切角误差不超过2.5°、剪切长度平均误差为10.4mm;在土壤发生剪切失效时,对土壤切削阻力预测精度较高,平均误差为3.4%。验证了物质点法在土壤切削过程模拟的可行性与有效性,为土壤切削过程的数值模拟提供了新思路。

基于亚塑性本构模型的土壤-触土部件SPH互作模型

触土部件是农机的主要组成部分,高精度的土壤-触土部件互作模型对农业耕作触土部件的节能优化设计具有重大意义。为提高土壤切削过程数值模拟的精确度,该研究基于光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)框架,从土壤亚塑性本构模型出发,结合土壤-触土部件接触模型,提出一种土壤-触土部件互作模型。通过砂土坍塌试验和土壤切削试验,对比分析了模拟仿真和物理试验中砂土自由表面演变、内部应力变化、土壤静止和运动分界面形态以及粒子位移。在此基础上对4种不同形状刀具的土壤切削过程进行模拟,以土壤切应力、位移分布表征刀具在切削过程中对土壤的破坏情况,讨论了大半径抛物线型刀具切削过程中的土壤粒子速度场,并得出不同形状刀具切削阻力的变化规律。结果表明,刀具水平切削阻力的模拟值和试验值平均相对误差为9.885%,说明所提模型对刀具水平切削阻力的预测精度较高。研究结果可为土壤-触土部件互作模型的建立提供新的思路,为触土部件的优化设计提供参考。