立式螺旋开沟机螺旋刀具切削土壤的数值模拟分析

立式螺旋开沟机螺旋刀具切削土壤的数值模拟分析

0土体破裂线的生长和切削在垂直螺旋开槽机的开槽过程中，螺母螺母的切割、研磨和悬浮液完成。开沟机具有结构简单、部件紧凑和能耗较小等特点。其中,螺旋刀具和土壤之间的相互作用包括土壤的变形破坏及刀片与土壤的剪切、挤压和摩擦等问题。深入分析此相互作用对优化立式螺旋开沟机的运动参数和结构参数、减少切削阻力、降低作业功耗有重要意义。研究土壤切削过程的传统数学模拟分析方法是从土壤切削试验中找出土体破裂线的形状,然后假定土体为刚塑性体,用静力平衡求解土体对耕作部件的阻力。这种方法不仅耗费大量时间和精力,而且容易受到客观条件限制,影响试验精度,最终影响计算结果。利用离散单元法(DEM)和有限单元法(FEM)研究土壤切削过程是近几年来发展起来的数学模拟方法。离散单元法将土体看作独立的离散颗粒的集合体。颗粒间通过一系列联系法则相互作用,颗粒的运动根据牛顿第二定律确定,这是一种显式数值方法。有限元法通过建立适当的土壤本构模型,结合不同单元划分形式以及刀具切削土壤的边界条件,对土壤受到切削时的力学性质进行模拟,能够较好地模拟土壤与刀具间的相互作用关系,预测土壤和切削刀具的应力分布和变形状况,进而为土壤工作部件的优化设计提供依据。近几年来,随着计算机技术的广泛使用和各种有限元软件的开发利用,国内对土壤切削过程的研究有了很大进展。例如,刘仁辉分析了不同入射角下弹体侵入土壤过程;周明等以粘性土壤为对象,开展了直线刃口刀具对其切削的有限元模拟;同年,江涛等就松土刀具对土壤的切削过程进行了三维动态仿真。笔者以陕西关中地区黄棕壤为研究对象,运用ANSYS/LS-DYNA971进行了立式螺旋开沟机螺旋刀具切削土壤的显式动力分析,旨在探讨和揭示土壤的变形状况、破坏位置和应力分布情况,进而为螺旋刀具的优化设计提供依据。1有限预算1.1基于ls-dyna程序的有限元模型LS-DYNA是国际上著名的显式动力分析程序,其显式算法特别适合分析各种高度非线性的复杂力学过程;其材料模型提供了多种适合分析土木建筑工程、农业工程问题的土壤模型;其接触分析算法涵盖了各种分析对象之间的接触行为,包括考虑材料失效的侵蚀接触(ErodingContact)算法。LS-DYNA程序是一个求解器,本文使用ANSYS作为前处理器,把土壤和螺旋刀具的CAD模型转化为节点与单元的有限元模型,再施加边界条件、约束和载荷,最后输出关键字文件。修改关键字文件后,将关键字文件递交LS-DYNA求解器求解,最后运用LS-PREPOST后处理程序输出计算结果的图形、动画,并分析结果数据。1.2pro/e中螺旋刀具建模立式螺旋开沟机的工作部件为双头变螺距螺旋刀具,将螺旋刀具展平后,螺旋线即展开为抛物线,如图1所示。该抛物线的方程为Z=aL2+bL,抛物线上各点的切线斜率即为螺旋线上螺旋角的斜率。假设螺旋线上螺旋角为αk,则所以b为初始螺旋角的斜率。螺旋刀具结构复杂,在ANSYS中直接建模难度很大,因此在Pro/E中建立螺旋刀具的CAD三维模型。为了节约分析时间,将模型进行简化,利用Pro/E绘制螺旋刀具的曲面图,在LS-DYNA程序分析时,为曲面定义厚度即可。在Pro/E中建模时,首先绘制变导程螺旋线;然后利用可变剖面扫描的方法绘制螺旋叶片;最后阵列出另外一个叶片,利用拉伸的方法绘制空心管。在Pro/E内建立的变导程螺旋线方程为螺旋刀具CAD模型如图2所示。1.3材料模型的选用选择合理的土壤本构模型,对于提高土壤切削数值模拟的准确性具有重要意义。本文在进行螺旋刀具切削土壤的数值模拟中,选用了LS-DYNA971程序提供的第147号材料,即MAT147(MAT-FHWA-SOIL)材料模型。这是一种适用于实体单元、考虑损伤的各向同性材料模型。此土壤材料采用修正的Mohr-Cloulomb屈服准则,其屈服面表述为式中P—压力;φ—内摩擦角;—偏应力张量的第2不变量的平方根;c—内聚力;ahyp—定义修正后屈服面和标准MohrCoulomb屈服面之间贴合度的参数。本文中,选取的部分土壤参数如表1所示,其余参数取值参照LS-DYNA971关键字手册中的*MAT-FHWA-SOIL模型。在ANSYS前处理器中,土壤单元定义为SOLID164单元,建立的土壤模型为0.4m×0.1901m×0.3m的矩形体,距离刀具尺寸0.0001m,采用扫掠形式划分网格。1.4icit单元将在Pro/E中建立好的CAD模型以IGS格式保存为曲面,然后在ANSYS中调用刀具的模型。将刀具单元定义为LS-DYNAExplicit单元中的SHELL163,采用全积分的壳单元算法(Fullyintegratedshellelement)。定义壳单元实参数内容,输入壳单元厚度为0.003m,剪切参数为5/6。刀具采用Mn65钢制造,材料属性如下:弹性模量为2×1011,泊松比为0.3,密度为7.8×103kg/m3。选用刚性体模型定义刀具材料,约束刚性体X,Y,Z方向位移和X,Y方向的旋转,采用自由网格方式划分网格。1.5刀具定义的定义定义土壤模型两个侧面的位移UX=0,底面位移UZ=0,为土壤外端面施加无反射边界条件。分别为土壤和刀具定义显式分析的载荷,其中土壤移动速度VY=-0.025m/s,刀具角速度RBOZ=25.12rad/s,即每秒刀具绕z轴转4转。本文主要针对螺旋刀具对土壤的切削破坏过程进行分析,因此将刀具定义为接触Part,土壤定义为目标Part。添加刀具与土壤之间的面面侵蚀接触(*ERODING-SURFACE-TO-SURFACE),此接触能够保证土壤表面单元在切削失效的情况下程序自动定义新的接触面。在ANSYS中建立的螺旋刀具和土壤模型如图3所示。2土壤材料模型输出模型关键字文件,修改和添加ANSYS未写入的一些分析中所需的信息字段,如土壤材料模型和载荷等信息。将关键字文件递交LS-DYNA971程序求解,最后通过后处理程序LS-PREPOST打开结果文件,进行数据分析。2.1土壤压力和土壤模型螺旋刀具对土壤完成两个切削量作业时,土壤的切削状态如图4和图5所示。切削过程中,螺旋刀具叶片的外缘首先接触土壤,土壤受到刀具的挤压和剪切作用而发生破坏和变形。随着螺旋刀具的旋转以及土壤的不断进给,刀具对土壤的铣削作用显示出来,土壤被破坏的面积和进给方向的深度也逐渐增加。被切削掉的土壤同时受到刀具的轴向提升作用,向上方带出土壤模型。随着刀具对土壤的连续切削,土壤模型中逐渐开出沟型完整的沟。2.2土壤的损伤效应第1个切削周期内,不同时刻土壤的VonMisesStress分布如图6所示。在土壤模型上选取A(3977),B(3177),C(1977)单元。整个切削过程中,A,B,C等3个单元以及Y向应力变化情况如图7和图8所示。从图7和图8得出:土壤与刀具接触时,土壤在刀具的切削力作用下产生挤压变形;切削力升高到土壤的破坏强度时,土壤开始破坏变形。土壤的较大Mises等效应力集中分布于刀具和土壤的接触位置。土壤在切削时,主要受到刀具的挤压和剪切破坏。土壤模型中,A,B,C等3个单元随着刀具的不断切削,Y向应力逐渐增加,当A,B,C等3个单元发生剪切破坏时,土壤失效,Y向应力迅速下降为0。0.065s时刻,土壤最大Mises等效应力约为877Pa;0.125s时刻,土壤最大Mises等效应力约为2822Pa;0.185s时刻,土壤最大Mises等效应力约为801Pa;0.25s时刻,土壤最大Mises等效应力约为563Pa。3土壤切削力的影响本文利用ANSYS建立了螺旋刀具和土壤的有限元模型,运用LS-DYNA9