基于ANSYS/LS－DYNA的仿生刀具土壤切削的动力学仿真*

刘伟奇，陈 姣，余 奇，钟志超

(河海大学机电工程学院，江苏常州 213022)

1 有限元建模［3］

1．1 刀具和土体的实体建模

本仿真是要对比普通刀具和仿真刀具［1－2］在切削条件相同的情况下，切削阻力大小的情况，因而需要建立普通刀具和仿生刀具两种刀具模型，分别如图1、2所示。刀具模型采用的是3－D实体模型，可以采用四边形自由划分网格的方式进行网格的划分。

图1 普通刀具

图2 仿生刀具模型

土体也采用四边形自由划分网格的方式进行网格的划分，其有限元模型如图3所示。

图3 土体模型

1．2 土壤模型

选择合理的土壤本构模型，对于提高土壤切削仿真分析的正确性具有重要意义。本文选用了LS_DYNA提供的第147号材料，即MAT147(MAT_FHWA_SOIL)材料模型。这是一种适合于实体单元、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，其屈服面表达式［5］为:

式中:P为压力;φ为内摩擦角;J2为应力张量的第二不变量;k(θ)为张量平面角函数;C为粘聚力;Ahyp为修正后的Mohr－Cloulomb屈服面和标准的Mohr－Cloulomb屈服面相似程度。

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。

表1 粘土的主要参数

1．3 刀具的有限元模型

刀具采用45#钢制造，材料属性如下:弹性模量为2．0×e11，泊松比为 0．28，密度为 7．8×103kg/m3。选用刚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，网格划分如图所示。

1．4 施加边界条件和载荷

定义土壤的底面位移UZ=0，为土壤外端面施加无反射边界条件。为刀具定义的沿X方向的切削速度V=5 m/s。施加约束后的模型如图4所示。

图4 定义约束

本文主要分析普通刀具和仿生刀具切削土壤工程中切削力的大小，因此将刀具定义为目标部件，土体定义为接触部件。添加刀具与土壤之间的面面侵蚀接触，侧接触能保证土壤表面单元在失效的情况下程序自动定义新的接触面。

2 求解和分析

输出模型关键字K文件，修改和添加ANSYS未写入的一些分析中所需的信息字段，如土壤材料模型等。将K文件递交LS－DYNA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 切削过程

普通刀具对土体切削的模拟过程如图5所示。

图5 不同时刻的切削状态

由图5刀具在不同时刻的切削等效应力图可以看出:t=0．015时，刀具与土壤开始接触;t=0．03时，刀具切入土壤，土壤受到剪切作用而失效;t=0．1时在刀具的剪切和挤压作用下，土壤开始沿着刀具面向上滑动、变形失效。切削过程中与刀具接触的土壤质点速度方向与刀面垂直，且沿着刀具面上移，这与实际的切削过程一致。

图6是模型在t=0．24时的等效应力分布情况，由该图可以看出，最大等效应力分布在刀具刃口上部，而不是在刃口处。这主要是由于刀具在切削土壤过程中，土壤沿刀具面上移，同时刀具还受到上方土壤的压力以及刃口处土壤的挤压而形成的。而刀具刃口出的的应力值较大，这主要是由于刃口出的形状导致的应力集中引起的。

图6 t=0．024时模型的von mises stress分布

2．2 切削力

本仿真的主要目的是研究仿生刀具在切削土壤过程中的减阻脱土效果，因此切削力是主要的评价指标。由图7和图8对比可以明显看出仿生刀具的界面反力比平面刀具切削土壤时的界面反力要小，即作用在刀具上的力比平面刀具小。图7所示的仿生刀具的平均切削力为5．8 kN，而图8所示的平面刀具的平均切削力为11 kN。

图7 仿生刀具的界面反力

图8 平面刀具的界面反力

仿生刀具上的倒扣碟形凸起个数对切削力的影响之前已经做了相关优化。为了进一步了解在仿真过程正仿生刀齿凸起与基面的受力情况，分别选取凸起表面的一个单元和基面上的一个单元，命名为A单元和B单元，查看两个单元在切削过程中的受力

(2)本喷洒车整体喷洒工具所需的能量来自太阳能感光板，吸收的光能转化，为环保能源。

(3)本喷洒车在左、右、后三处均设有喷竿，并且喷竿均可以根据要求进行左右或上下的调整，适应性高。

(4)本喷洒车结构新颖、具有普通电动车特有的功能。外形美观大方。密封严密，操作简单可靠。并且，本喷洒车成本较低，价格大多数农户均能接受。

3 总结

新型太阳能农药喷洒车汲取现有喷洒装置的优点，完善其不足，并将太阳能技术应用到该车上，节能环保。并且将机械系统与控制系统相结合，满足喷洒车的半自动化作业，能够通过探测系统对喷洒车的工作状态进行判断并及时进行调整。本文设计的新型太阳能农药喷洒车成本低、体积小、性价比高、节省人力、安全可靠、操作方便，适应于各种环境下的药液喷洒，具有广阔的应用前景。

［1］ 机械工程手册编委会．机械工程手册［M］．第二版．北京:机械工业出版社，1997．

［2］ 商跃进，曹茹．SolidWorkes［M］．北京:机械工业出版社，2012．

［3］ 刘军营，陈建文．液压与气压传动［M］．北京:西安电子科技大学出版社，2002．

［4］ 徐 灏．机械设计手册(第四卷)［M］．北京:机械工业出版社，1991．

［5］ 王晓璨，张鹏松．太阳能电动车电源控制系统的设计［J］．机械与电子，2013，12(5):36-39．