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双轴立式螺旋开沟机工作部件切土性能研究

作　者: 周波
导　师: 樊啟洲
学　校: 华中农业大学
专　业: 农业机械化工程
关键词: 螺旋开沟机数值模拟动态特性切削力功耗
分类号: S222.52
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

开沟机是一种重要的果园基本建设及果园管理机具,其工作性能将直接影响到果园生产的质量和效率,针对开沟机工作时振动剧烈、噪音大、走直性差、功耗大等问题,本文结合山地果园开沟作业的要求,以降低开沟机功耗为目的,采用现代设计及分析方法,利用计算机辅助设计软件建立了双轴立式螺旋开沟机工作部件在实际工作条件下的三维实体模型,利用运行模态分析技术以及有限元法对螺旋开沟机工作部件的动态特性进行分析,利用有限元法、光滑粒子流体动力学以及显示动力学方法开展双轴立式螺旋开沟机工作部件切削土壤的数值模拟研究。论文主要工作包括以下几部分：(1)螺旋开沟机工作部件的动态特性研究。分别采用运行模态分析试验和有限元模态分析方法确定工作部件在自由状态下的低阶模态固有频率和模态振型,将试验测得的固有频率和有限元分析得到的结果进行比对,验证有限元分析方法的正确性,证明螺旋开沟机工作部件有限元分析理论模型的建立和分析方法的正确性。(2)开展基于ANSYS的不同结构参数对工作部件动态特性的影响的分析。为了进一步研究螺旋开沟机的动态特性,对其工作部件进行约束模态分析,通过改变螺旋叶片内径、螺距和厚度以达到减振、降噪的目的,确定不同结构参数对固有频率的影响规律：工作部件的固有频率随着螺旋叶片内径和螺距的增加而增加；低阶固有频率随着厚度的增大而减小,而高阶固有频率随着厚度的增大而增大。(3)开展基于LS-DYNA的双轴立式螺旋开沟机工作部件切削土壤的显示动力学分析。采用FE/SPH耦合计算方法对双轴立式螺旋开沟机工作部件切削土壤进行数值模拟,发现其切土、升土、抛土作用效果明显,并利用ANSYS通用前处理工且POST1和LS-PREPOST后处理工具对模拟的结果进行分析,在工作部件空转过程中最大径向应力和最大周向应力出现在螺旋叶片内径周围,最大轴向应力出现在螺旋叶片内径处,当工作部件和土壤接触时,最大等效应力出现在螺旋叶片与土壤接触的区域内。(4)利用LS-PREPOST软件分析不同参数对切削力和功耗的影响。模拟单因素作用下主轴转速、进给速度和螺旋叶片螺距对切削力和功耗的影响,从切削力曲线变化情况看出：工作部件与土壤初始接触时,切削力迅速上升,当进入稳定切削后,切削力在一个水平内波动。切削力大小随着进给速度和叶片螺距的增加而增加,随着主轴转速的增加而减小,且进给速度对切削力和功耗影响最明显,适当改变这些参数可以提高开沟机的使用寿命,对降低功耗具有重要的意义。

全文目录

摘要  7-8
ABSTRACT  8-10
1 绪论  10-19
  1.1 研究的背景及意义  10-11
  1.2 国内外研究现状  11-16
    1.2.1 国内开沟机研究现状  11-14
    1.2.2 国外开沟机研究现状  14-15
    1.2.3 数值模拟在土壤切削中的研究现状  15-16
  1.3 研究内容和论文组织结构  16-18
    1.3.1 研究内容  16-17
    1.3.2 论文的组织结构  17-18
  1.4 课题的来源  18-19
2 土壤本构理论及SPH原理  19-29
  2.1 土壤本构理论  19-25
    2.1.1 弹性本构  19-20
    2.1.2 屈服条件  20-22
    2.1.3 几个重要特性  22-25
  2.2 SPH基本原理  25-28
    2.2.1 SPH核心理论  26-27
    2.2.2 LS-DYNA中与SPH相关的关键字  27-28
  2.3 本章小结  28-29
3 螺旋开沟机工作部件动态特性分析  29-41
  3.1 螺旋开沟机工作部件的动态特性  29
  3.2 模态试验研究  29-32
    3.2.1 模态分析方法  30
    3.2.2 模态分析基本原理  30-32
  3.3 试验设计  32-36
    3.3.1 试验设备的选择及连线  33-34
    3.3.2 运行模态分析测试过程  34-36
  3.4 模态识别以及MAC校验  36-38
    3.4.1 模态识别  36-37
    3.4.2 MAC校验  37-38
  3.5 试验结果及分析  38-40
  3.6 本章小结  40-41
4 基于ANSYS立式螺旋开沟机工作部件有限元模态分析  41-53
  4.1 有限元法及ANSYS/LS-DYNA软件简介  41-44
    4.1.1 有限元法概述  41
    4.1.2 有限元法分析的步骤  41-42
    4.1.3 ANSYS/LS-DYNA有限元软件的简介  42-44
      4.1.3.1 ANSYS有限元分析软件简介  42-43
      4.1.3.2 LS-DYNA软件简介  43-44
  4.2 有限元模态分析及验证  44-48
    4.2.1 基于ANSYS的有限元自由模态分析  44-47
    4.2.2 试验结果与仿真结果对比  47-48
  4.3 工作部件的约束模态分析  48-50
  4.4 工作部件结构参数对固有频率的影响  50-52
    4.4.1 螺旋叶片内径对固有频率的影响  50
    4.4.2 螺旋叶片厚度对固有频率的影响  50-51
    4.4.3 螺旋叶片螺距对固有频率的影响  51-52
  4.5 本章小结  52-53
5 基于LS-DYNA双轴立式螺旋开沟机工作部件切削土壤的显式动力学分析  53-68
  5.1 工作部件切削土壤的FE/SPH耦合计算  53-57
    5.1.1 土壤的本构材料选择  53
    5.1.2 工作部件切削土壤数值模型的建立  53-55
    5.1.3 工作部件切削土壤的数值仿真  55-57
  5.2 数值模拟结果分析  57-64
    5.2.1 工作部件空载时的应力分析  57-58
    5.2.2 工作部件切削土壤时的应力分析  58-60
    5.2.3 工作部件切削土壤时的切削力分析  60-62
    5.2.4 功耗分析  62-64
  5.3 不同参数对切削力和功耗的影响  64-67
    5.3.1 主轴转速对切削力和功耗的影响  64-65
    5.3.2 进给速度对切削力和功耗的影响  65-66
    5.3.3 叶片螺距对切削力和功耗的影响  66-67
  5.4 本章小结  67-68
6 结论与展望  68-70
  6.1 结论  68
  6.2 展望  68-70
参考文献  70-74
附录  74-82
致谢  82

双轴立式螺旋开沟机工作部件切土性能研究

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