基于多体动力学和有限元分析方法的不同耕深条件下犁铧梭式动力学特性研究Word文档下载推荐.docx
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犁刀又分为直犁刀和圆犁刀。
圆犁刀主要由圆盘刀片、盘毂、刀柄、刀架和刀轴组成。
心土铲：
由称深松铲，安装在主犁体的后下方，疏松耕层以下的心土，实现上翻下松。
心土铲又分为单翼铲和双翼铲两种，在悬挂犁上心土铲与主犁体固定连接。
犁铧是重要的耕作部件。
在耕作过程中犁铧的受力情况比较复杂,磨损也很严重。
正确分析犁铧、特别是铧刃的受力,对于正确设计犁铧形状、了解犁铧的磨损情况及使用性能有重要的意义。
目前在犁铧设计中,有些参数凭经验或用类比方法确定,还很难说出其变化规律和理论依据。
文献〔1,2,3〕对犁铧工作面的受力情况做过一些分析,并对不同耕深时铧面的压力分布进行了测试,但对犁铧刃口部分的受力分析却很少。
本研究将对常用的熟地型凿形犁铧进行受力分析,并在此基础上,对犁铧刃口磨损后的工作性能进行分析。
本项工作对犁铧曲面及刃口参数设计和犁铧刃口磨损规律的研究具有一定的意义。
犁是人类早期开始耕地的农具，中国人大约自商代起已使用耕牛拉犁，木身石铧。
犁的发明、应用和发展，凝聚了中国人和世界其他各位发明家的心血，并显现了人类的智慧。
2犁铧模型的建立
我们采用基于特征的零件实体建模技术，以SolidWorks为技术平台，对犁铧进行建模分析，
2.1SolidWorks软件简介
SolidWorks是与UG、Pro/ENGINEER、CATIA等齐名的世界著名三位设计软件之一。
它在航空航天、汽车、机械、模具和家用电器等工业领域的应用非常广泛。
易学易用、功能强大、性能卓越是其最大优点。
它具有基于特征、参数化和实体造型等特点整个设计基于装配关系进行，装配的基础要素是相关的零件，零件由若干参数化的可以基于装配关系的特征堆砌而成，特征是与机械设计的表达意图相关的一些简单几何形体，这些几何形体的基础是参数化的、可以基于装配关系的二维或三维草图，而草图又是一些简单的图线，可以用几何关系、装配关系和驱动尺寸加以约束。
SolidWorks是基于Windows平台开发的其操作界面大量吸收了Windows界面的优点。
其首创的特征管理员，能够将设计过程中的每步记录下来，并形成特征管理树，置在屏幕左侧。
设计师可以随时点取任意特征进行修改，还可以随时调整特征树的顺序，以改变零件形状。
SolidWorks软件的特点和优点包括：
1全Windows界面，操作非常简单方便SolidWorks是在Windows环境下开发的,简易方便的工作界面；
利用Windows的资源管理器或SolidWorksExplorer可以直观管理SolidWorks文件；
SolidWorks软件非常容易学习；
SolidWorks采用内核本地化，全中文应用界面；
SolidWorks全面采用Windows的技术，支持特征的"
剪切、复制、粘贴"
操作；
支持拖动复制、移动技术；
2清晰、直观、整齐的"
全动感"
用户界面"
的用户界面使设计过程变的非常轻松：
动态控标用不同的颜色及说明提醒设计者目前的操作，可以使设计者清楚现在做什么；
标注可以使设计者在图形区域就给定特征的有关参数；
鼠标确认以及丰富的右键菜单使得设计零件非常容易；
建立特征时，无论鼠标在什么位置，都可以快速确定特征建立；
图形区域动态的预览，使得在设计过程中就可以审视设计的合理性；
利用FeatureManager设计树设计人员可以更好地通过管理和修改特征来控制零件、装配和工程图；
PropertyManager属性管理器，提供了非常方便的查看和修改属性操作；
PropertyManager属性管理器，减少了图形区域的对话框，使设计界面简捷、明快；
ConfigerationManager属性管理器很容易地建立和修改零件或装配的不同形态，大大提高了设计效率；
3灵活的草图绘制和检查功能草图绘制状态和特征定义状态有明显的区分标志，设计者可以很容易清楚自己的操作状态；
草图绘制更加容易，可以快速适应并掌握SolidWorks灵活的绘图方式：
单击-单击式或单击-拖动式；
单击-单击式的绘制方式非常接近AutoCAD软件；
绘制草图过程中的动态反馈和推理可以自动添加几何约束，使得绘图时非常清楚和简单；
草图中采用不同的颜色显示草图的不同状态；
拖动草图的图元，可以快速改变草图形状甚至是几何关系或尺寸值；
可以绘制用于管道设计或扫描特征的3D草图；
可以检查草图的合理性；
4强大的特征建立能力和零件与装配的控制功能强大的基于特征的实体建模功能。
通过拉伸、旋转、薄壁特征、高级抽壳、特征阵列以及打孔等操作来实现零件的设计；
可以对特征和草图进行动态修改；
功能齐备和全相关的钣金设计能力。
利用钣金特征可以直接设计钣金零件，对钣金的正交切除、角处理以及边线切口等处理非常容易；
SolidWorks提供了大量的钣金成形工具，采用简单的拖动技术就可以建立钣金零件中的常用形状；
利用FeaturePalette窗口，只需简单地拖动到零件中就可以快速建立特征；
管理和使用库特征非常方便；
利用零件和装配体的配置不仅可以利用现有的设计，建立企业的产品库，而且解决了系列产品的设计问题；
配置的应用涉及零件、装配和工程图；
可以利用EXCEL软件驱动配置，从而自动地生成零件或装配体；
使用装配体轻化，可以快速、高效地处理大型装配，提高系统性能；
按照同心、重合、距离、角度、相切等关系的丰富多样的装配约束；
动画式的装配和动态查看装配体运动；
在装配中可以实现智能化装配，装配体操作非常简便、高效；
可以进行动态装配干涉检查和间隙检测，以及静态干涉检查；
在装配中可以利用现有的零件相对于某平面产生镜像，产生一个新零件或使用原有零件按镜像位置装配。
5工程图使用RapidDraft工程图技术，可以将工程图与三维模型单独进行操作，以加快工程图的操作，
2.2零件特征建模
零件是SolidWorks系统中最主要的对象。
传统的CAD设计方法是由平面（二维）到立体（三维），而在SolidWorks系统中却是工程师直接设计出三维实体零件，然后根据需要生成相关的工程图。
在SolidWorks系统中，零件、装配体和工程都属于对象，零件设计是核心，特征设计是关键，草图设计是基础。
建模在虚拟产品开发过程中发挥着重要作用，同时基于特征的实体建模技术已成为虚拟设计创建产品零件实体模型的基础。
据研究表明零件实体建模的质量自80年代以来被公认为是解决产品开发与过程设计信息集成问题的有效而实用的手段。
零件是由特征组成的单一三维物体。
在SolidWorks中，特征是各种单独的加工形状，当将它们组合起来即形成各种零件。
无论创建多么复杂的零件三维实体模型，其基本原理都是一致的，其基本原理主要包括：
（1）绘制二维草图；
（2）使用拉伸、旋转、扫描和放样等方法创建基础三维实体特征；
（3）在基础三维实体特征上再创建圆角、倒角、拔模、孔、壳等放置特征；
（4）依次完成所有零件的建模后，制作对应工程图及标注；
（5）在零件的建模过程中，不是一次就完成零件的建模，实际上这是一个需要反复修改设计结果的过程。
在实体建模完成后仍可以返回编辑和修改二维草图，实体模型会根据修改自动重建。
2.2.1犁铧建模
由于本次论文主要对犁铧进行研究，故只对其建模做论述。
（1）打开SolidWorks，新建零件图，进入草图绘制模式，选取上视基准面为基准面，绘制草图1。
（2）对草图1进行基本特征建模，如图2选取拉伸凸台/基体进行凸台拉伸，拉伸长度为300.0mm，得到图3
（3）以实体右基准面为基准绘制草图4，并对进行拉伸—切除特征。
得到如图6，特征建模结束。
图1
图2
图3
图4
图5
图6
2.2.2犁铧工程图
工程图的基础是将三维模型按正投影的方法投影到平面上，形成基本的三视图以及其他派生视图。
犁铧的工程图如图7
图7
3基于多体动力学和有限元分析
3.1犁铧的多体动力学分析
3.1.1多体动力学有关概念
3.2犁铧的有限元分析
3.2.1有限元法有关概念
有限元法的基本原理是：
把要分析的连续体离散化，即假想地把某个连续体
分割成由有限个单元组成的组合体。
这些单元在顶角处由节点相互联接。
在组合体中，单元与单元之间的联接除了节点之外再无任何关联；
同时，单元之间只能通过节点来传递内力，即节点力；
但是这种联接要满足变形协调条件，即不能出现裂缝，也不允许发生重迭。
当连续体受到外力作用发生变形时，组成它的各个单元也将发生变形，因而各个节点要产生不同程度的节点位移。
在有限元分析中，常以节点位移作为基本未知量，对每个单元根据分块近似的思想，再利用力学理论中的变分原理或其它方法，建立节点力与位移之间的力学特性关系，得到一组以节点位移为未知量的代数方程，从而求解节点的位移分量。
然后利用插值函数确定单元集体上的场函数，最终求得所需的解。
由此可见，如果单元满足问题的收敛性要求，那幺随着缩小单元的尺寸，增加求解区域内的单元数目，解的近似程度不断改进，近似解最终将收敛于精确解。
有限元法是根据变分原理求解数学物理问题的一种数值方法。
有限元法是在差分法和变分法的基础上发展起来的，它吸收了差分法对求解域进行离散处理的启示，又继承了里兹法选择试探函数的合理方法。
其基本思想是：
一离散，二分片插值。
主要应用于线性静力分析、动态分析、热分析、流场分析、电磁场计算、非线性分析、过程仿真等。
有限元法有其独特的优越性，主要表现在：
（1）能够分析形状复杂的结构。
不仅可以是复杂的平面或轴对称结构，也可以是三维曲面或实体结构。
（2）能够处理复杂的边界条件。
（3）能保证规定的工程精度。
当单元尺寸减小或差值函数的阶次增加时，有限元解收敛于实际问题的精确解。
（4）能够处理不同类型的材料。
3.2.2有限元法分析过程
从应用角度来看，有限元分析过程分为三个阶段——前处理、计算和后处理。
前处理（Pre-processing）的任务就是建立有限元模型，故又称建模他的任务是将实际问题或设计方案抽象能为数值计算提供所有输入数据的有限元模型，该模型定量反应了分析对象的几何、材料、载荷、约束等各方面特性。
建模的中心任务是离散，但围绕离散还需要完成许多与之相关的工作，如单结构形式处理、几何模型建立、单元类型和数量选择、单元特性定义、单元质量检查、编号顺序优化以及模型边界条件定义等。
计算的任务基于有限元模型完成有关的数值计算，并输出需要的计算结果。
它的主要工作包括单元和总体矩阵的形成、边界条件的处理和特性方程的求解。
这部分由计算机完成。
后处理的任务是对计算输出的结果进行必要的处理，并按一定方式显示或打印出来，以便对分析对象的性能或设计的合理性进行分析、评估，以做出相应的改进或优化，这正是进行有限元分析的目的所在。
3.2.3有限元分析中需注意的问题
（1）解答的收敛性
在有限元法中，建立应变、应力转换矩阵，建立单元刚度矩阵，载荷向节点的移植等等都依赖于位移模式。
因此，选择位移模式时，应当保证有限元解答的收敛性。
通常为了保证解答的收敛性，选用的位移模式应当满足下列两个条件：
①位移模式应包含有单元的刚体位移状态和常量应变状态（或称均匀应变状态）。
满足这个条件的单元称为完备单元。
②位移模式应当保证相邻单元在公共边界处位移是连续的。
这种位移的连续性亦可称为位移的协调性或兼容性。
（2）单元划分
在用有限元法求弹性力学问题时，一般都是用事先编好的程序，在计算机上进行计算。
但是，由于单元的划分，即结构离散化的网络常是由人工来做，所以单元划分的好坏，与计算结果的精确度及计算的机时多少有很大的关系。
因此，这项工作也是很重要的一环。
通常，单元的划分一般应满足以下的要求：
①工程要求的计算精度；
②计算机的速度及容量；
③符合所使用的程序的功能；
④节省上机费用；
3.4.4犁铧有限元模型的建立
（）犁铧阻力的计算公式
我们通过查阅相关文献和资料首先知道了犁耕阻力的计算公式，具体计算过程如下：
（1）犁耕阻力：
上式中，
代表摩擦阻力，其值为
，一般f＝0.3~0.5，G为犁重；
为土垡变形力，其值为：
为耕速阻力，其值为
。
经过一系列的对土垡变形力计算公式的修正、耕速阻力计算公式的修正，同时运用能量守恒定律，得到了最终的犁胸阻力的计算公式：
犁铧阻力P1=P×
50%×
50%
2.1计算犁耕阻力
代入前面的犁耕和犁铧阻力公式，计算数值得：
（1）当耕深为27cm时。
犁耕阻力P=11336.6N，犁铧阻力
=2836.785N。
施加载荷分析。
如图所示。
（2）当耕深为31.5cm时。
犁耕阻力P=12958.2N，犁铧阻力P
=3250.968N。
有限元分析如图所示。
（3）当耕深为36cm时。
犁耕阻力P=14579.7N，犁铧阻P
=3625.138N。
分析结果如图所示。
下面我们就可以利用前面的计算数值进行有限元分析。
而摆动。
犁铧上两个犁刃成左右对称分布，因此，对犁铧施加的约束。
犁铧的主要作用是入土和碎土，因而土壤除了对犁铧刃口有正压力作用外，还对刃口有摩擦阻力作用。
据此加在犁铧刃口上的载荷应该是沿着刃口面的方向。
约束好的犁铧
加载后的犁铧
耕深a1时应力图
耕深a2时应力图
耕深a3时应力图
（
）结果分析
分析犁铧的工作过程及其铧尖区的失效特征，我们认为：
土壤及其夹杂物对铧尖区的磨损和冲击是造成犁铧失效的主要原因，具体体现在：
①磨粒对铧尖区的切削和凿削；
②冲击造成的塑性变形冲击坑，产生了微区冷作硬化，在土壤的反复作用下使原来有一定塑性的表面逐渐变脆剥落；
③磨粒的无数次反复冲击，使铧尖区发生周期弹性变形，最终造成接触疲劳破坏。
必须强调的是：
犁铧铧尖区的失效不是单一原因造成的，其每一微区的破坏都是多种因素综合作用的结果。
结论
分析犁铧的受力特征，对其进行有限元分析，结果表明：
①土壤及其夹杂物对犁铧铧尖区的冲击、磨损和疲劳是造成犁铧失效的主要原因。
②利用有限元分析软件COSMOS\works对犁铧进行有限元分析，得到的计算结果非常直观，与理论计算和田间实验结论十分相符。
③通过对犁铧工作行为的计算机模拟分析，找到了设计中的薄弱环节，为以后该产品的优化设计提供了一定的帮助。
致谢
通过这次毕业设计，我在学到了很多新的知识的同时，也对从前四年学习的知识有了重新的巩固。
更重要的是我学会了如何思考问题，以及遇到困难如何解决，这对我以后进一步的学习有着很好的促进作用。
在这里我要感谢所有在我做毕业设计期间帮助过我的同学和老师！
更要感谢我的指导老师朱林，感谢他这段时间来的对我们孜孜不倦的指导和悉心帮助，使我顺利的完成了毕业设计。
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