劉亞超，王秀山，馮 敏，張合虎

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) a.機(jī)電工程學(xué)院；b.園藝學(xué)院，鄭州 450000)

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基于SPH/FEM耦合算法的土壤切削仿真與研究

劉亞超a，王秀山a，馮 敏b，張合虎a

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) a.機(jī)電工程學(xué)院；b.園藝學(xué)院，鄭州 450000)

ANSYS/LS-DYNA仿真軟件，采用SPH/FEM耦合算法模擬旋轉(zhuǎn)刀具切削土壤作業(yè)過程。在SolidWorks中建立刀具—土壤模型，用ANSYS/LS-DYNA進(jìn)行前處理，修改K文件建立耦合模型，在LS-PREPOST中查看LS-DYNA971求解結(jié)果，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理，分析作業(yè)過程能耗變化及應(yīng)力分布，為后期優(yōu)化刀具提供依據(jù)。文中土壤本構(gòu)模型采用MAT_147(MAT_FHWA_SOIL)材料，對(duì)材料屈服準(zhǔn)則進(jìn)行詳細(xì)闡述，相比標(biāo)準(zhǔn)Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則,修改后的Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則引入了修正系數(shù)Ahyp，分析了Ahyp取值對(duì)屈服面的影響，得出Ahyp與土壤內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角關(guān)系；闡述SPH算法和SPH/FEM耦合算法,分別用FEM算法、SPH算法和SPH/FEM耦合算法模擬土壤切削過程。結(jié)果表明：在土壤切削前期，網(wǎng)格沒有發(fā)生畸變時(shí)，3種方法模擬結(jié)果相近，隨著有限元網(wǎng)格發(fā)生畸變，F(xiàn)EM算法產(chǎn)生了誤差，驗(yàn)證了SPH/FEM耦合算法在土壤切削仿真過程中的可行性與準(zhǔn)確性。

ANSYS/LS-DYNA；SPH/FEM耦合算法；旋轉(zhuǎn)刀具；土壤切削

0 引言

目前，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的除草方式主要為化學(xué)除草，長(zhǎng)期使用化學(xué)除草危害性非常大，導(dǎo)致雜草抗藥性增加、土壤生態(tài)環(huán)境惡化和各種災(zāi)害頻發(fā)等，這與我國人民日益追求的綠色健康生活形成了突出的矛盾。因此，研究除草機(jī)器人代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工物理除草是今后的趨勢(shì)，國內(nèi)外的研究均圍繞此方面展開[1-7]。本課題組目前正在研究仿生除草機(jī)器人，如圖1所示。仿生除草機(jī)通過視頻采集系統(tǒng)采集根部及株間雜草分布圖像并傳輸至圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，經(jīng)處理后，將執(zhí)行指令反饋給除草系統(tǒng)；除草系統(tǒng)根據(jù)指令驅(qū)動(dòng)滑塊帶動(dòng)刀具切入土壤，將雜草根部切斷，并對(duì)土壤進(jìn)行松土。本文研究刀具切削土壤過程中土壤應(yīng)力變化、擠壓變形、失效破壞及刀具應(yīng)力分布對(duì)預(yù)測(cè)土壤結(jié)構(gòu)變化、減少切削阻力、節(jié)約能耗和優(yōu)化刀具設(shè)計(jì)具有重要意義。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，基于ANSYS/LS-DYNA的動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)也越來越成熟。國內(nèi)外利用FEM有限元法在模擬土壤切削方面已取得較大進(jìn)展[8-13]。夏俊芳等[14]利用ANSYS/LS-DYNA對(duì)螺旋刀輥進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，所得結(jié)果與實(shí)際理論值相符。劉曉紅等[15]對(duì)振動(dòng)深松鏟切削土壤進(jìn)行有限元模擬分析，得出了切削過程功耗變化和等效應(yīng)力情況。朱留憲[16]利用SPH算法對(duì)微耕機(jī)旋耕刀進(jìn)行有限元仿真與優(yōu)化。丁峻宏等[17]對(duì)自適應(yīng)網(wǎng)格劃分、ALE及SPH等3種方法進(jìn)行仿真模擬對(duì)比，結(jié)果表明：3種方法在解決土壤切削時(shí)各有特點(diǎn)。

圖1 除草機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

近年來，土壤切削仿真模擬大多采用FEM有限元法，或SPH光滑粒子法，此兩種方法都存在一些缺陷：FEM有限元法在模擬大變形時(shí)容易發(fā)生網(wǎng)格畸變(見圖2)，需對(duì)大變形區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，計(jì)算時(shí)間會(huì)大大增加，效率隨之降低；SPH光滑質(zhì)子法解決了FEM有限元法網(wǎng)格畸變的問題，但相比FEM算法計(jì)算效率大打折扣，且SPH算法邊界處理不如FEM算法方便。因此，為了發(fā)揮兩者優(yōu)勢(shì)，研究人員[18-21]開始對(duì)SPH/FEM耦合算法進(jìn)行研究，并進(jìn)行實(shí)例仿真模擬，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。

圖2 有限元網(wǎng)格發(fā)生畸變

目前，關(guān)于SPH/FEM耦合算法模擬土壤切削仿真的參考資料很少，本文基于ANSYS/LS-DYNA采用SPH/FEM耦合算法模擬旋轉(zhuǎn)刀具切削土壤作業(yè)過程，利用LS-PREPOST后處理軟件讀取LS-DYNA971計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行數(shù)據(jù)研究和二次處理[22-23]；對(duì)刀具切削土壤作業(yè)過程進(jìn)行顯示動(dòng)力學(xué)仿真，分析作業(yè)過程中應(yīng)力分布、功耗變化，為后期優(yōu)化除草機(jī)提供參考和依據(jù)。

1 算法簡(jiǎn)介

1.1 SPH方法基本理論

傳統(tǒng)的有限元法和有限差分法雖然已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但在某些方面具有局限性，尤其是在處理運(yùn)動(dòng)不連續(xù)時(shí)需要每一步重劃網(wǎng)格以保證網(wǎng)格線在整個(gè)求解過程中與不連續(xù)相符。但是，這樣會(huì)引起很大困難，如在求解過程中需要網(wǎng)格映射，會(huì)導(dǎo)致精度降低和計(jì)算程序復(fù)雜化，同時(shí)相應(yīng)費(fèi)用將會(huì)增加[24]。因此，網(wǎng)格劃分限制了它在高速?zèng)_擊侵徹、爆炸效應(yīng)、磨蝕及材料等方面的應(yīng)用。

為了克服和消除以上限制，光滑質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)法(SPH)應(yīng)運(yùn)而生。光滑質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)法的離散化不使用單元，而是使用固定質(zhì)量的可動(dòng)點(diǎn)，質(zhì)量固定在質(zhì)點(diǎn)的坐標(biāo)系，所以SPH也算是拉格朗日型，其基本方程也是守恒方程和固體材料本構(gòu)方程，標(biāo)準(zhǔn)單元和SPH節(jié)點(diǎn)的拉格朗日代碼非常相似[25]。由于SPH法不使用網(wǎng)格，沒有網(wǎng)格畸變問題，可以處理大變形問題，其可以簡(jiǎn)單而精確地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的本構(gòu)行為，也適用于材料在高速加載速率下斷裂這個(gè)困難問題。

SPH的基礎(chǔ)是插值理論[24]，各質(zhì)點(diǎn)的相互作用借助于插值函數(shù)來描述，利用插值函數(shù)給出量場(chǎng)在一點(diǎn)的核心估計(jì)值(Kemel Estimate),將連續(xù)介質(zhì)動(dòng)力學(xué)的守恒定律由微分方程形式轉(zhuǎn)換為積分形式，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為求和。

SPH方法中質(zhì)點(diǎn)近似函數(shù)為

∏h∫(x)=∫f(y)W(x-y,h)dy

(1)

其中，W是核函數(shù)(插值核)；h是光滑長(zhǎng)度，光滑長(zhǎng)度隨時(shí)間和空間變化。

核函數(shù)W使用輔助函數(shù)θ進(jìn)行定義，有

(2)

其中，d是空間維數(shù)；W(x,h)是尖峰函數(shù)，如圖3所示。

圖3 核函數(shù)

SPH中最常用的光滑核是3次B樣條，定義為

(3)

其中，C是常量，由空間維數(shù)決定。

光滑長(zhǎng)度h對(duì)計(jì)算效率和精度有重要影響，目的是為了保持質(zhì)點(diǎn)鄰域內(nèi)有足夠的質(zhì)點(diǎn)，以確保質(zhì)點(diǎn)連續(xù)變量近似有效，如果采用固定的光滑長(zhǎng)度材料膨脹時(shí)會(huì)導(dǎo)致數(shù)值畸變[24]。當(dāng)質(zhì)點(diǎn)分離時(shí)，光滑長(zhǎng)度增加；當(dāng)質(zhì)點(diǎn)匯聚時(shí)，光滑長(zhǎng)度減少，其變化范圍在一定范圍，可表示為

C1·h0

(4)

其中，h0是初始光滑長(zhǎng)度；C1、C2是縮放因子；如果C1=C2，h則為固定光滑長(zhǎng)度，不隨時(shí)間和空間變化。

另外，SPH算法中的邊界處理不如有限元網(wǎng)格成熟，有限元網(wǎng)格模型可以通過對(duì)邊界節(jié)點(diǎn)進(jìn)行約束來處理邊界，但在SPH方法中不適合。因此，對(duì)于SPH方法，邊界需要進(jìn)行特別處理，通過添加關(guān)鍵字在邊界創(chuàng)建虛擬質(zhì)點(diǎn)來定義邊界對(duì)稱面，如圖4所示。

對(duì)靠近邊界處的質(zhì)點(diǎn)，通過自身映射自動(dòng)創(chuàng)建虛擬質(zhì)點(diǎn)，虛擬質(zhì)點(diǎn)具有質(zhì)點(diǎn)相同的特性，因此可以對(duì)質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生近似對(duì)稱作用[24]。

圖4 SPH邊界處理

1.2 SPH/FEM算法

圖5為SPH/FEM的耦合示意圖。其中，左邊部分是SPH質(zhì)點(diǎn)，右邊部分為FEM網(wǎng)格。兩個(gè)部分通過罰函數(shù)約束來實(shí)現(xiàn)力學(xué)參數(shù)傳遞；網(wǎng)格邊界區(qū)域和SPH質(zhì)點(diǎn)接觸，通過接觸類型中的“點(diǎn)-面”固連接觸進(jìn)行耦合定義[24]。

圖5 SPH/FEM的耦合示意圖

在耦合算法中，耦合界面附近的粒子密度相對(duì)單元密度越大，算法的計(jì)算精度越精確，通常粒子密度與單元密度相當(dāng)或稍大時(shí)，即可獲得比較理想的計(jì)算結(jié)果；但是，耦合界面處的區(qū)域內(nèi)總存在一定的應(yīng)力振蕩。實(shí)驗(yàn)表明：隨著光滑長(zhǎng)度的增大，粒子區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力振蕩幅度減小[19]。為了保證耦合計(jì)算精確和穩(wěn)定，文中最小光滑長(zhǎng)度取0.2倍粒子間距，最大光滑長(zhǎng)度取2.0倍粒子間距。

固連接觸失效準(zhǔn)則[26]為

(5)

其中，fn為法向力；fs為剪切力；fn.fail為法向失效力；fs.fail為剪切失效力；m1為法向力指數(shù)；m2為剪切力指數(shù)。

1.3 FEM、SPH、SPH/FEM耦合3種算法仿真對(duì)比

3種算法模擬土壤切削時(shí)刀具為首次切削土壤，此時(shí)最大的等效應(yīng)力分別為3.047E-03、3.334E-03、3.339E-03。結(jié)果相差不大，證明耦合算法的正確性，如圖6～圖8所示。在前期研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，土壤切削前期，網(wǎng)格沒有發(fā)生畸變時(shí)，3種方法模擬結(jié)果相近，隨著有限元網(wǎng)格發(fā)生畸變?cè)斐蒄EM算法產(chǎn)生了誤差。

圖6 FEM算法仿真

圖7 SPH算法仿真

圖8 SPH/FEM耦合算法

2 SPH/FEM耦合模型

2.1 作業(yè)原理

除草系統(tǒng)中的滑塊左右張合運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)左右刀具相向運(yùn)動(dòng)，刀片在電機(jī)的帶動(dòng)下，以平行于地面的狀態(tài)高速切入土壤中，將雜草的根部切斷，同時(shí)對(duì)土壤進(jìn)行松土。圖9為刀具工作示意圖；圖10為刀具在ADAMS仿真中的工作路徑。

圖9 刀具工作示意圖

圖10 刀具株間除草運(yùn)動(dòng)軌跡

2.2 模型建立

為了簡(jiǎn)化模型、提高效率，本文只研究一側(cè)刀具在土壤中的工作狀況，為了減少刀具入土前的無用時(shí)間，建立模型時(shí)刀具應(yīng)緊靠土壤模型但不接觸。

通常ANSYS/LS-DYNA建立復(fù)雜模型比較困難，本文先在SolidWorks進(jìn)行建立0.06×0.06×0.08的刀具-土壤模型，并轉(zhuǎn)換為Parasolid文件；通過與ANSYS/LS-DYNA無縫連接，將文件導(dǎo)入ANSYS/LS-DYNA進(jìn)行前處理。定義模型為SOLID164單元，并劃分網(wǎng)格，保存K文件，然后用UltraEdit對(duì)K文件進(jìn)行修改建立耦合模型。圖11為SolidWorks模型，圖12為有限元網(wǎng)格模型，圖13為耦合模型。

圖11 SolidWorks模型

圖12 有限元網(wǎng)格模型

圖13 耦合模型

2.3 模型參數(shù)設(shè)定

2.3.1 刀具模型

刀具在土壤中運(yùn)動(dòng)時(shí)幾乎不會(huì)發(fā)生形變，定義刀具模型材料為剛性體MAT_RIGID，采用自由網(wǎng)格劃分法劃分網(wǎng)格。刀具材料參數(shù)如下：

密度/kg·m-3：7 890

彈性模量/Pa：2.1E+11

泊松比：0.3

2.3.2 土壤模型

2.3.2.1 土壤材料

土壤模型參數(shù)的選取直接決定了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，為了能真實(shí)地反映出刀具切削土壤實(shí)際情況，選取ANSYS/LS-DYNA中土壤專用材料MAT_147(MAT_FHWA_SOIL)[27-28]。這種材料考慮了土壤的密度、土粒相對(duì)密度、水密度、粘塑性、體積彈性模量、剪切模量、內(nèi)摩擦角、土壤含水率及孔隙水效應(yīng)等，可以很好地表現(xiàn)出土壤在失效后的特征，材料達(dá)到失效后可以及時(shí)刪除失效單元。

土壤的失效準(zhǔn)則采用修正的Mohr-Coulomb(莫爾-庫倫原則)屈服準(zhǔn)則[28]，相比標(biāo)準(zhǔn)Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，修正的Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則引入了Drucker-Prager修正系數(shù)Ahyp，修正后的方程為

(6)

其中，σy為屈服面力；P為壓力；φ為內(nèi)摩擦角；J2為第二不變應(yīng)力偏量；K(θ)偏平面角函數(shù)；Ahyp為修正系數(shù)；C為內(nèi)聚力。

當(dāng)Ahyp為0時(shí)，修正的Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則及為標(biāo)準(zhǔn)屈服準(zhǔn)則,如圖14為標(biāo)準(zhǔn)Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則與修正的Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則線性表示。

圖14 標(biāo)準(zhǔn)Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則與

由圖14可知：修正的 Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則在屈服面力為0時(shí)，“脊”部更為平滑，因此更接近真實(shí)失效條件。

選擇適當(dāng)?shù)腁hyp系數(shù)對(duì)仿真的穩(wěn)定性很重要，研究人員[28]發(fā)現(xiàn)，Ahyp系數(shù)選擇與內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力可以用一個(gè)合理的關(guān)系表示，有

(7)

隨著Ahyp增大，σy隨之增大。如果Ahyp較大，則明顯偏離Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則的包絡(luò)線。為了保持Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則的包絡(luò)線，取Ahyp值為1.0E+2Pa。圖15為Ahyp影響下的屈服面。

圖15 Ahyp影響下的屈服面

2.3.2.2 土壤參數(shù)

結(jié)合本地土壤情況并實(shí)地測(cè)量土壤參數(shù)(見圖16)，參考Soil Material Model 147[27-28]及《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》[29]，土壤的主要參數(shù)如表1所示，采用kg-m-s單位制。

圖16 土壤含水率測(cè)試

名稱單位數(shù)值土壤密度kg/m32350土粒相對(duì)密度kg/m32．65體積模量Pa2．8E+07剪切模量Pa1．8E+07內(nèi)摩擦角rad1．1內(nèi)聚力Pa6．2E+03含水量0．064AhypPa1．0E+2

2.4 修改K文件

1)刪除大變形區(qū)域的拉格朗日有限元網(wǎng)格，相應(yīng)區(qū)域添加SPH粒子及相關(guān)Part信息。

2)添加SPH相關(guān)關(guān)鍵字。添加*CONTROL_SPH用于設(shè)定SPH質(zhì)點(diǎn)計(jì)算，添加關(guān)鍵字*SECTION_SPH用來定義SPH質(zhì)點(diǎn)屬性，質(zhì)點(diǎn)光滑長(zhǎng)度CSLH取值范圍在1.05～1.3；小于1是不允許的，大于1.3將會(huì)增加計(jì)算時(shí)間[24]，本文中CSLH取值1.2。

3)定義相關(guān)接觸。添加*CONTACT_ERODING_NODES_TO_SURFACE關(guān)鍵字用于定義刀具與SPH質(zhì)點(diǎn)之間的接觸為侵蝕接觸算法;添加*CONTACT_TIED_NODES_TO_SU-RFACE_OFFSET關(guān)鍵字用于定義SPH質(zhì)點(diǎn)與有限元網(wǎng)格的固連接觸。

4)處理邊界約束?？紤]土壤與大地接觸的實(shí)際情況，添加*BOUNDARY_NON_REFLECTING關(guān)鍵字,定義模型中土壤有限網(wǎng)格前后面及底部為無反射界面。SPH無法添加無反射邊界，需添加*BOUNDARY_SPH_SYMMETRY_PLANE來定義其邊界。

5)定義速度載荷曲線。刀具移動(dòng)速度和旋轉(zhuǎn)速度在模擬仿真中是恒定不變的，添加載荷曲線*DEFINE_CURV*BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION_RIGID關(guān)鍵字定義刀具旋轉(zhuǎn)角速度。最后保存K文件，提交到ANSYS/LS-DYNA971進(jìn)行求解。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 土壤等效應(yīng)力分析

當(dāng)?shù)毒唛_始切削土壤時(shí)，土壤先發(fā)生形變，隨著刀具切入土壤部分的增加，變形量也隨之增加，直到達(dá)到屈服準(zhǔn)則，土壤開始被破壞，其應(yīng)力是先增加后減少最后趨于平穩(wěn)。圖17為刀具作業(yè)過程中土壤應(yīng)力變化情況。

(a) 運(yùn)行時(shí)間0.00225s (b) 運(yùn)行時(shí)間0.00325s

(c) 運(yùn)行時(shí)間0.00450s (d) 運(yùn)行時(shí)間0.00650s

圖17(a)為刀具剛剛切入土壤，圖17(b)為刀具部分切入土壤，圖17(c)為刀具全部切入土壤，圖17(d)為刀具從土壤中切出。從圖17中可以看出：刀具剛開始切入土壤時(shí)等效應(yīng)力較大，隨著刀具切入土壤部分增多，等效應(yīng)力趨于平穩(wěn)。整個(gè)切削過程中，土壤受力沒有大的波動(dòng)，切削過程較為平穩(wěn)。由于受到土壤壓力及切削力，圖中最大應(yīng)力均位于刀具內(nèi)側(cè)曲面處，因此在加工刀具時(shí)應(yīng)注意進(jìn)行局部強(qiáng)化處理。

圖17(d)中，SPH整塊粒子向上翹起，說明刀具切削土壤時(shí)對(duì)土壤起到了松土的效果，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。土壤切削過程中，應(yīng)力向運(yùn)動(dòng)方向擴(kuò)散，有利于未切削區(qū)域土壤松散，減少切削阻力。

3.2 切削能耗分析

刀具切削土壤時(shí)，刀具的動(dòng)能保持不變，切削能耗主要包括為克服土壤變形和土壤運(yùn)動(dòng)時(shí)需要的能耗。隨著刀具切入土壤，土壤能耗逐漸增加，最后趨于平穩(wěn)，如圖18所示。

將能耗曲線對(duì)時(shí)間進(jìn)行求導(dǎo)，得出功率變化曲線，如圖19所示。

圖18 土壤能耗變化曲線

圖19 土壤功率變化曲線

當(dāng)?shù)毒咔腥胪寥罆r(shí)，功率迅速增加，隨著刀具切出土壤，功率隨之迅速降低。刀具全部切入時(shí)，功率達(dá)到最大40W。由此可知，每個(gè)高速扭矩電機(jī)的輸出功率至少為40W。

4 結(jié)論

1)采用SPH/FEM耦合算法模擬刀具在繞自身中心旋轉(zhuǎn)的情況下水平運(yùn)動(dòng)切削土壤的作業(yè)過程，在大變形區(qū)域采用SPH算法，其余區(qū)域采用有限元網(wǎng)格算法。結(jié)果表明：耦合算法相比有限網(wǎng)格法可以很好地解決網(wǎng)格畸變的問題，相比SPH算法減少了計(jì)算時(shí)間，提高了工作效率。

2)FEM在處理大變形時(shí)需要格外注意網(wǎng)格畸變問題，SPH算法在處理大變形時(shí)不用考慮網(wǎng)格畸變問題，但計(jì)算效率不及FEM,在處理邊界問題上也不如其成熟，無法添加無反射邊界，需要用“BOUNDARY_SPH_SYMMETRY_PLAN”來定義邊界。

3)比較分析了FEM、SPH、SPH/FEM耦合3種算法模擬土壤切削過程，在土壤切削前期，網(wǎng)格沒有發(fā)生畸變時(shí)，3種方法模擬結(jié)果相近；隨著有限元網(wǎng)格發(fā)生畸變?cè)斐蒄EM算法產(chǎn)生了誤差，從而驗(yàn)證了SPH/FEM耦合算法在土壤切削仿真過程中的可行性與準(zhǔn)確性。

4)仿真得出刀具在切削過程中的土壤受力及應(yīng)力分布情況，最大應(yīng)力均位于刀具內(nèi)側(cè)曲面處，為加工刀具及局部強(qiáng)化處理提供了依據(jù)。土壤切削過程中，應(yīng)力波向運(yùn)動(dòng)方向擴(kuò)散，有利于未切削土壤松散破碎，節(jié)約切削能耗。整個(gè)切削過程中，土壤受力沒有大的波動(dòng)，切削過程比較平穩(wěn)。

本實(shí)驗(yàn)基于ANASYS/LS-DYNA動(dòng)力學(xué)仿真軟件，采用SPH/FEM耦合算法模擬旋轉(zhuǎn)刀具切削土壤，目前處于研究階段，隨后將進(jìn)行一系列系統(tǒng)仿真并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，并對(duì)所建立模型進(jìn)行修改完善，也為今后同類問題研究提供參考。

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The Soil Cutting Dynamics Simulation and Research Based on SPH/FEM Coupling Algorithm

Liu Yachaoa, Wang Xiushana, Fen Minb, Zhang Hehua

(a.Mechanical and Electrical Engineering College; b.College of Horticulture, Hennan Agricultural University, Zhengzhou 450000,China)

In this paper, based on ANSYS/ LS-DYNA ,The SPH/FEM coupling algorithm are adopted to simulate the rotary cutter cutting soil process,tools-soil model is established in the SolidWorks, Before processing in the ANSYS/LS-DYNA and the mod-el is set up by mod-ifeied the K file,check the LS-DYNA971 results and the datais secondary processing by th-e LS-PREPOST, analysis of process energy consumption ch-ange and stress distribution, provide the basis for later optimization tool;The soil constitutive model adopts MAT_147 (MAT_FHWA_SOIL) materials, the material yieldc-riterion are expounded in details,co-mpare with the standard mohr-coulomb, Ahyp correction coefficient is introduced of The modified mohr-coulomb，analyzed the Ahyp values influence on the yield surface, Ahyp relationship with cohesion and internal friction angle are presented also;Explain SPH algorithm and SPH/FEM coupling algori-thm, using FEM algorithm respectively, SPH algorithm and SPH/FEM coupling algorithm to simulate the soil cutting process,the results show that in the early stage of the soil cutting, gridwithout distortion occurs, three ways of the simulation results, the finite element mesh distort on caused by FEM algorithm error, thus in SPH/FEM coupling algorithm is verified the feasibility and accuracy in the process of soil cutting simulation.

ANSYS/LS-DYNA；SPH/FEM coupling algorithm；rotational cutting tool; soil cutting

2016-08-30

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(U1204524)；河南省高等學(xué)校骨干教師資助項(xiàng)目(2014GGJS-034)

劉亞超(1990-),男，河南安陽人，碩士研究生，( E-mail)liuyachao0808@163.com。

王秀山(1975-)，男，鄭州人，副教授，博士，( E-mail)towxs@163.com。

S224.1

A

1003-188X(2017)07-0021-07