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基于扩展有限元法的土壤切削模拟

作　者: 王路
导　师: 戈振扬; 王成武
学　校: 昆明理工大学
专　业: 农业机械化工程
关键词: 土壤切削裂纹扩展数值模拟扩展有限元
分类号: S222
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

土壤切削是土壤耕作中复杂的动态过程,随着耕作深度、耕作速度、土壤类型及土壤力学性能等的变化而不同。为耕作部件的设计提供相关的技术参数,减小耕作部件的牵引阻力,采用扩展有限元法模拟土壤切削裂纹规律的研究具有重要的理论意义和实际价值。本文基于土壤的库伦失效本构关系、断裂力学及裂纹扩展理论建立三维土壤耕作切削模型,利用扩展有限元法对耕作过程中的土壤裂纹扩展及断裂情况进行模拟分析。确定土壤类型、建立土壤切削的三维模型、设定土壤特性参数、计算步骤、定义土壤与耕作部件的相互关系及边界约束和荷载,然后进行网格划分,并进行数值模拟。基于扩展有限元法数值模拟分析耕作过程中的土壤裂纹扩展及断裂情况,得出数值分析的结果与已有土壤切削的实验结果基本一致。根据最大周向应力理论,推导建立最大周向应力与应力强度因子的数值关系,改变不同应力强度因子对土壤切削中的裂纹扩展进行数值模拟,结果表明随着应力强度因子的降低,土壤的抗剪强度随之减小,最大周向应力也相应降低。土壤切削中土壤裂纹起裂角减小,而且裂纹扩展呈现不同的破裂轨迹。当土壤应力强度因子降低到一定范围时,土壤切削时土壤发生水平移动,土壤由脆性逐渐变为流动性。土壤应力强度因子是决定土壤切削裂纹扩展呈不同路径变化的重要因素之一。数值模拟分析土壤切削裂纹扩展的结果表明：基于扩展有限元法模拟土壤切削能够准确的分析出土壤切削裂纹扩展的变化路径、裂纹扩展长度大小、土壤切削力以及土壤的能量释放率。根据不同土壤应力强度因子对土壤物理特性的影响,进而预测土壤切削裂纹扩展不同路径变化的运动规律。因此验证了基于扩展有限元法在研究土壤切削问题中的可行性,为继续深入开展土壤切削裂纹扩展问题的研究提供一定的基础。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-7
目录  7-9
第一章绪论  9-21
  1.1 选题背景及研究意义  9-10
  1.2 土壤切削问题研究的国内外现状  10-14
    1.2.1 土壤切削问题研究的国外现状  10-12
    1.2.2 土壤切削研究的国内现状  12-14
  1.3 裂纹扩展问题的研究进展  14-19
    1.3.1 有限元法模拟裂纹扩展进展  14-16
    1.3.2 扩展有限元法模拟裂纹扩展  16-19
  1.4 本文主要研究的内容  19-20
  1.5 本章小结  20-21
第二章扩展有限元法(XFEM)的基本原理  21-27
  2.1 扩展有限元法的基本思想  21-22
  2.2 扩展有限元的单位分解法  22-23
  2.3 裂纹位置的描述方法  23-24
    2.3.1 直线方程描述法  23-24
    2.3.2 矢量计算法  24
  2.4 裂纹扩展有限元模型  24-25
  2.5 本章小结  25-27
第三章断裂力学的基本理论  27-39
  3.1 裂纹类型  27-28
  3.2 裂纹扩展的能量平衡方程  28-29
    3.2.1 断裂平衡理论  28
    3.2.2 裂纹扩展的能量平衡方程  28-29
  3.3 裂纹扩展的能量释放率及应力强度因子  29-35
    3.3.1 裂纹扩展的能量释放率  29-31
    3.3.2 应力强度因子  31-35
  3.4 脆性复合型裂纹扩展的最大周向应力理论  35-37
  3.5 本章小结  37-39
第四章土壤切削模型的建立  39-45
  4.1 应用平台下土壤切削模拟的分析步骤  39-41
  4.2 裂纹扩展计算的流程图  41-42
  4.3 土壤切削模型的建立  42
  4.4. 土壤切削模型的前处理工作  42-44
  4.5 本章小结  44-45
第五章基于扩展有限元法土壤切削裂纹扩展的数值模拟  45-61
  5.1 验证土壤切削裂纹扩展及断裂的可行性  45-53
    5.1.1 土壤切削裂纹扩展及断裂的四阶段  45
    5.1.2 土壤切削裂纹扩展模拟分析  45-51
    5.1.3 对比已有实验进而验证扩展有限法模拟土壤切削的可行性  51-53
  5.2 不同土壤应力强度因子的土壤裂纹扩展趋势的预测  53-59
  5.3 模拟土壤切削裂纹扩展及断裂的分析结果及讨论  59-60
  5.4 本章小结  60-61
第六章总结与展望  61-63
  6.1 论文总结  61-62
  6.2 问题和展望  62-63
致谢  63-65
参考文献  65-69
附录A 攻读硕士学位期间发表的论文  69

基于扩展有限元法的土壤切削模拟

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