碎土型犁体曲面作业过程的仿真分析——基于ANSYS／LS—DYNA
２０１ １年４月 农机化研究 第４期
ｆｘＤ（ｎ）＝ＯＯ ｃｏｓ００＋ （ｎ）ｓｉｎ０ｏ ｌｙＤ（ｎ）：ＯＯ ｓｉｎ００一 （ｎ）ＣＯＳＯ０
经过整理，得到犁体曲面元线表达式为
＝Ｚ（ｎ）
＝Ｙ（ｎ）＝ｙＤ（ｎ）＋ｔａｎ０［Ｘ（ｎ）一ｘＤ（ｎ）］
＝Ｘ（ｎ）
＝［Ｙ（ｎ）一ｙＤ（ｎ）＋ｔａｎＯ（ｎ）ｘＤ（ｎ）］／ｔａｎＯ（ｎ）
图２犁体曲面轮廓 Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ｃｏｎｔｏｕｒ ｏｆ ｐｌｏｗ ｓｕｒｆａｃｅ １．３碎土型犁体曲面实体模型
通过ＭａｔｈＣＡＤ计算得出碎土型犁体曲面数学模
型，在Ｐｒｏ／Ｅ中建立曲面的实体模型，使用单位为ｍｍ
—ｎ—ｓ。将水平直元线表达式输入“通过方程建立基
准曲线”命令，生成犁体曲面的各条水平直元线，如图 ３（ａ）所示。使用“边界混合（Ｂ）…”命令将所有水平
直元线沿导曲线方向扫描形成混合曲面，然后通过
“实体化（Ｙ）…”命令将曲面生成厚度为的碎土型犁 曲面实体 Ｊ，如图３（ｂ）所示。
（ａ）水平直元线 （ｂ）实体模型 图３犁体曲面水平直元线和实体模型 Ｆｉｇ．３ Ｓｔｒａｉｇｈｔ Ｇｅｎｅｒａｔｒｉｘ ｏｆ Ｐｌｏｗ Ｓｕｒｆａｃｅ ａｎｄ Ｓｏｌｉｄ Ｍｏｄｅｌ Ｅｌｅｍｅｎ ２ 仿真模型系统的建立及验证
２．１ 犁体曲面的输出 在三维建模软件Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ中，将犁体曲面建
立完成后，需将曲面导人ＡＮＳＹＳ软件中进行有限元分
析。ＡＮＳＹＳ软件安装选项中包含与Ｐｒｏ／Ｅ软件的接
口模块“Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ”。配置此接口模 块后，在Ｐｒｏ／Ｅ软件界面中“工具”菜单的后面就会出
现一个新菜单“ＡＮＳＹＳ １０．０”，如图４所示。
图４ Ｐｒｏ／Ｅ界面的ＡＮＳＹＳ接口图不 Ｆｉｇ．４ Ｐｍ／Ｅ Ｍｅｎｕ ｆｏｒ ＡＮＳＹＳ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｇｒａｐｈｉｃ 在Ｐｒｏ／Ｅ中生成模型后直接点击“工具”菜单下
的子菜单“ＡＮＳＹＳ Ｇｅｏｍ”，系统则会自动将ＡＮＳＹＳ软 件打开。在ＡＮＳＹＳ中只要将“Ｐｌｏｔ”菜单中的“Ｖｏ１．
ｕｍｅ”选项打开，就可以将实体模型显示出来。
２．２建立几何仿真模型
通过ＡＮＳＹＳ与Ｐｒｏ／Ｅ的接口模块，将犁体曲面实
体模型导入ＡＮＳＹＳ／ＬＳ—ＤＹＮＡ内。在Ｐｒｏ／Ｅ中，所采
用的犁体曲面的模型单位制是ｍｍ—ｋｇ—Ｓ，在ＡＮＳＹＳ 中仍采用此单位制，则会造成土壤一犁体曲面仿真系
统的几何模型体积过大，在后继仿真运算时占用计算
机内存大，从而导致运算速度缓慢，计算时间过长。
根据“程序无单位”原则，在ＡＮＳＹＳ中统一单位系统，
修改犁体曲面的单位，采用国际单位制ｍｍ—ｋｇ—Ｓ。 根据实际耕翻情况，并使仿真效果更逼近实际情
况。考虑仿真运算时间，土垡的高度定义为３０ｃｍ，宽 度定义为４０ｃｍ，长度定义为１００ｃｍ，如图５所示。其
中，高度和宽度方向都分别加大了５ｃｍ。为防止出现 初始穿透现象＿４ｊ，将犁铧距离土垡ｌＯｃｍ，即把铧尖坐
标定为（一１０，０，０）。
・１０・ 图５土壤一碎土型犁体曲面仿真系统几何模型 Ｆｉｇ．５ Ｓｏｉｌ—ｂｒｏｋｅｎ ｐｌｏｗ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ２．３仿真模型的动力学分析 土壤一碎土型犁体曲面仿真模型系统试验中，将
土垡视为连续体不发生变形。犁体曲面耕地的过程
就是土壤被剪切一推移一抬高一挤压一扭转～抛翻 ２０１ １年４月 农机化研究 第４期
（ｇ）ｔ＝４７２ｍｓ （ｈ）ｔ＝５９２ｍｓ 图７翻垡过程中土垡不同时刻的等效应力分布 Ｆｉｇ．７ Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｆｏｒ ｓｏｉｌ ｔｕｒｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒ ｔｉｍｅｓ
４ 结论
本文采用数学软件ＭａｔｈＣＡＤ、三维建模软件Ｐｒｏ／
Ｅｎｇｉｎｅｅｒ和显式动力分析软件ＡＮＳＹＳ／ＬＳ—ＤＹＮＡ建 立碎土型犁体曲面的数学模型与土壤一碎土型犁体
曲面仿真模型系统，并对土壤一碎土型犁体曲面模型
系统的动态翻垡作业过程进行仿真研究，得出土壤应
力的变化趋势，进而得出碎土型犁体曲面的耕翻和碎 土功能的形成过程。最后，通过仿真结果研究了土壤
应力的变化趋势，为优化设计犁体曲面开辟了新思路 和新方法，也为今后犁体的优化设计与研究工作奠定
了基础，具有重要的理论价值。
参考文献：
［１］北京农业工程大学．农业机械学（２版）（上册）［Ｍ］．北 京：中国农业出版社，１９９４． ［２］李宝筏．农业机械学［Ｍ］．北京：中国农业出版社，２００３． ［３］ 曹德权，唐定勇．Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ Ｗｉｌｄｆｉｒｅ２．０中文版曲面与 逆向工程设计［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００４． ［４］ 尚晓江，苏建宇，王化峰，等．ＡＮＳＹＳ／ＬＳ—ＤＹＮＡ动力分 析方法与工程实例［Ｍ］．北京：中国水利水电出版社， ２００８． ［５］ 曾德超．机械土壤动力学［Ｍ］．北京：北京科学技术出版 社，１９９５． ［６］孙一源，高行方，余登苑．农业土壤力学［Ｍ］．北京：农业 出版社，１９８５．
Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｂｒｅａｋｉｎｇ Ｔｙｐｅ Ｐｌｏｗ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｄｙｎａｍｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓ
——Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＮＳＹＳ／ＬＳ—ＤＹＮＡ ｉｎ ｔｈｅ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ
Ｌｉａｏ Ｌｉ ，Ｙａｎｇ Ｊｉａｎ ，Ｍｅｎｇ Ｘｕｅｌａｎ
（１．Ｇｕａｎｇｘｉ Ａｇｒｉｃｕｈｕｒａｌ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｎａｎｎｉｎｇ ５３０００７，Ｃｈｉｎａ；２．Ｇｕａｎｇｘｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｎｉｎｇ
５３０００４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ，ｍａｉｎｌｙ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｐｌｏｗ ｔｏ ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｔｈｅ ｓｏｉｌ ｔｕｒｎｏｖｅｒ ａｎｄ ｍａｋｅ ｍａｔｔｒｅｓｓ ｃｕｔ，ａｃｈｉｅ－ ｖｉｎｇ ｔｈｅ ｐｕｒｐｏｓｅ ｏｆ ｓｏｉｌ ｔｉｌｌａｇｅ．Ｐｌｏｗ ｓｕｒｆａｃｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｎ ｔｈｅ ｗｏｒｋ ｏｆ ｐｌｏｗ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｈａｓ ａ
ｇｒｅａｔｅｒ ｉｍｐａｃｔ．Ｕｓｅ ｏｆ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｉｎ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｍｏｄｅｌ ｔｈｅ ｐｌｏｗ，ａｎｄ ｐｌｏｗ ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌｏ・
ｗｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｄｙｎａｍｉｃ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｎ ｔｈｅ ｐｌｏｗ ｓｕｒｆａｃｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ（ｔｒａｃ—
ｔｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ｔｕｒｎ ｍａｔｔｒｅｓｓ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）ｏｆ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｌｏｗ ｐｕｒｐｏｓｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｌｏｗ ｓｕｒｆａｃｅ；ＡＮＳＹＳ／ＬＳ—ＤＹＮＡ；ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｒｅａｋｉｎｇ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ
・１２・
基于ANSYS／LS-DYNA的平行分度凸轮机构的应力分析
重庆三峡学院毕业设计（论文）
题目 基于LS-DYNA的平行分度凸轮机构的应力分析
专 业 机械设计制造及其自动化
年 级 2005 级
学生姓名 贺 国 军
学生学号 200515140126
指导教师 何晶昌 职称 讲师
完成毕业设计（论文）时间 2008 年 12 月
目 录
第一章 绪论 …………………………………………………………………1
1.1平行分度凸轮机构的来源及其优缺点…………………………………1
1.2 本论文的设计思路………………………………………………………2
1.3 平行分度凸轮机构的应用及发展趋势…………………………………2
1.4 本论文研究的内容………………………………………………………2
第二章 平行分度凸轮机构的载荷计算………………………………………3
2.1 转盘的运动规律计算……………………………………………………3
2.2 主、从动件的负载转矩计算……………………………………………5
第三章 凸轮材料属性及各参数………………………………………………8
3.1 凸轮参数设置…………………………………………………………8
3.2 *vread命令读取数据……………………………………………………8
第四章 建模及划分有限元网格………………………………………………11
4.1 建立工作轮廓曲线……………………………………………………11
4.2 凸轮安装及整个模型的建立…………………………………………12
4.3 定义材料属性…………………………………………………………12
4.4 划分有限元网格………………………………………………………13
基于ANSYSLS-DYNA的箱体跌落仿真
6科技资讯
科技资讯 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION2012 NO.14SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION信 息 技 术
不少物体的损坏大都源于跌落碰撞,研发人员往往耗费大量的时间和成本,针对产品做相关的质量试验,最常见的结构试验就是跌落试验。这种方法可靠,但也存在这许多不足之处,如:试验的操作过程需要耗费大量的人力、财力,从而增加产品成本;试验发生的历程短,很难观察到试验过程中的现象;很难观察到产品内部特性和内部现象;测试的条件难以控制,使得试验重复性很差等等。利用LS-DYNA对其进行相关的模拟仿真可以很好的解决上述问题。ANSYS/LS-DYNA是世界上最著名的通用显式动力分析程序,能够模拟真实世界的各种复杂几何非线性、材料非线性和接触非线性问题,特别合适求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成形等非线性动力冲击问题,同时可以求解出热、流体及流固耦合问题。本文利用LS-DYNA中提供的跌落测试的程序模块,分析箱体的跌落过程。1 仿真环境与原理1.1仿真硬件环境仿真硬件环境如图1所示,包括交换机、PC机、笔记本组成的网络环境。1.2仿真软件环境仿真软件环境分系统软件和应用软件两种,具体包括以下几点。基于ANSYS/LS-DYNA的箱体跌落仿真
黄黎1 赵立军2 甘朝虹1(1.中国人民解放军装备学院研究生院; 2.中国人民解放军装备学院信息装备系 北京 101416)摘 要:通过箱体跌落试验,我们可以获得箱体跌落受力与形变方面的数据与结论,用以各个领域的研究。但是由于跌落问题的瞬态性,获取跌落中的数据需要反复用箱体进行跌落,数据捕捉难度大,且试验成本昂贵。随着计算机仿真技术的发展,借助计算机仿真技术,我们能够很好地解决这一问题。本文基于ANSYS/LS-DYNA进行了箱体跌落仿真,阐述了ANSYS软件对箱体跌落的仿真过程,通过对原有箱体建立模型并进行跌落仿真获取了箱体的形变和应力数值。试验表明,借助该软件可以很好地解决跌落仿真问题。关键词:跌落仿真 ANSYS/LS-DYNA 应力与形变中图分类号:TP393文献标识码:A文章编号:1672-3791(2012)05(b)-0006-03
土壤直角切削的有限元仿真
土壤直角切削的有限元仿真
周明;张国忠;许绮川;夏俊芳
【期刊名称】《华中农业大学学报》
【年(卷),期】2009(0)4
【摘 要】为减少耕作阻力,优化耕整机具结构与性能,基于ANSYS/L-SDYNA利用修正的Drucker-Prager塑性模型、用Lagrange和ALE相结合的方法,以粘性土壤为对象开展了直线刃口刀具对其直角切削的有限元数值模拟,得到了土壤的滑移破坏变形状况、刀具应力分布和切削阻力变化。同时对该土壤开展了室内土槽试验,研究显示有限元仿真结果与试验结果基本一致。
【总页数】4页(P491-494)
【关键词】土壤切削;耕作阻力;仿真
【作 者】周明;张国忠;许绮川;夏俊芳
【作者单位】华中农业大学工程技术学院
【正文语种】中 文
【中图分类】TG702
【相关文献】
1.基于有限元法的耙齿土壤切削仿真 [J], 刘修成;何炎平;赵永生
2.基于 ANSYS/LS－DYNA 的松土刀切削土壤有限元仿真 [J], 齐龙;张岩;梁仲维;马旭
3.直角切削工件切削温度的有限元仿真 [J], 李明艳;彭朋;王素玉;刘桦 4.基于有限元法的微耕机旋耕刀辊切削土壤仿真 [J], 朱留宪;孙勇;王会中;冷真龙;杨玲;杨明金
5.基于ALE有限元仿真的土壤切削振动减阻 [J], 蒋建东;高洁;赵颖娣;Willem
Hoogmoed;张立彬
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ansys-lsdyna知识
1 一、关于dyna中材料失效准则的定义
有些材料类型中有关于失效准则的定义，但是也有些材料类型没有失效准则的材料类型，这时需要额外的失效准则定义，与材料参数一块定义材料特性。需要用到 *mat_add_erosion关键字，对于这个关键字有几个需要注意的地方。
1、材料的通用性破坏准则：`
材料通常为拉破坏或者剪切破坏，静水压是以压为正，拉为负，所以静水压破坏就是给出最小的承受压力，当然需要小于0（即拉力），如果静水压小于该值，则材料破坏。相反，应力则是以压为负，拉为正，故最大主应力或最大等效应力或最大剪应力破坏等等都是给出最大的应力极限，当然大于0，如果拉应力大于该值，则材料破坏，无论是 *MAT_ADD_EROSION，还是材料内部自带的破坏准则还是其他软件，都遵循以上准则。
注意：屈服不是失效。
2、单元失效模拟的功能与目的
单元删除功能是为了克服有限元本身的缺陷而提出的一项方法，由于有限元本身是基于连续介质力学的，而在连续介质力学中，所研究的物体需要是连续的，既物质域在空间中连续。在这样的理论假设框架下，单元本身是不会消失的。然而在实际情况下，由于损伤断裂的存在，势必会使得一些单元消失或者完全的失效，所以为了能够模拟这种情况，DYNA 提供了单元失效功能。
破坏、失效、断裂，都是工程性的概念，它表示在达到某一准则后，结构、构件、或者构件中的某一部分，从结构中退出工作，不再影响整体结构的受力。而从有限元概念上说，对上述机制的模拟，基本手段都是一样的，就是当满足某一指标（比如某个应变大小）后，将一个单元或者一个积分点的质量、刚度和应力、应变都设为零（或者非常接近与零），这样它在整体结构计算中就不
2 再发挥作用，进而实现了退出工作机制的模拟。所以，无论是把纤维模型中的某个纤维、或者分层壳模型中的某一层、或者实体模型中的某个积分点，或者结构中的某个单元，让其不再参与整体结构计算，都可以达到模拟破坏退出工作的目的。而所谓单元生死技术，是上述基本概念在有限元程序中的一个“打包”应用。它除了让单元不再参与计算外，一般还有一个重要的附加功能，就是对仅和“被杀死”单元相连的“孤岛”节点，让其自由度不再参与整体结构计算，以减少计算困难。而后来有限元程序的前后处理又不断改进，可以做到在后处理里面“看不到”已杀死的单元，这样就显得更加真实。但正因为这些包装，使得很多人反而忘记了所谓单元生死技术的基本概念。
基于ANSYS／LS-DYNA的花岗岩加工微观断裂仿真分析
舡．技术ｌ
基于ＡＮＳＹＳ／ＬＳ—ＤＹＮＡ的花岗岩
加工微观断裂仿真分析
齐凤莲’张帼英 赵民’
（１．沈阳建筑大学，辽宁沈阳１１０１６８；２．北方重工集团自控设备厂，内蒙古包头０１４０３３）
摘要：本文从花岗岩的加工断裂机理入手，运用ＡＮｓＹｓ／Ｌｓ—ＤＹＮＡ软件建立了花岗岩加工的分析模
型，确定了模拟金刚石颗粒在压入花岗岩时裂纹的产生及应力状态，进行花岗岩的微观断裂仿真分
析，利用网格变形图对花岗岩加工时裂纹形成以致断裂的过程做了较好的模拟。通过对不同加载参数
的设置，实现不同加工状态的对比分析。该仿真分析过程中用到的方法和结果为花岗岩加工中裂纹形
成以致断裂完成切削的过程研究提供一定的参考依据。
关键词：花岗岩加工ＡＮＳＹＳ／ＬＳ—ＤＹＮＡ微观断裂网格变形图
１引言 由于花岗岩材料性质，金刚石刀具切削花岗岩
的过程就是一种由硬质压头与脆性材料表面接触而导
致断裂的过程，而这一过程可从微观断裂进行分析， 研究裂纹的形成以致断裂，从而形成切削的过程ｕ】。
ＡＮＳＹＳ／ＬＳ—ＤＹＮＡ是开展数值实验以及仿真分析的强 有力工具之一【２】，在相关的工业领域中得到广泛的应
用。花岗岩的微观仿真过程是金刚石颗粒对石材表面 施加载荷，这一过程属于侵彻问题，因此在本文中将
利用ＬＳ—ＤＹＮＡ的侵彻动力问题对花岗岩加工中裂纹形
成以致断裂的过程进行模拟分析，为后续的进一步研
究提供参考依据。 ２花岗岩加工的微观断裂机理
２．１接触应力场 微观断裂起始于一个接触应力场，在这个应力场
中裂纹逐渐发育而成。这个应力场主要由压头形状和
材料性能（弹性模量、硬度和韧性）决定。对于花岗
岩铣削，考虑一个承受法向点力Ｐ作用的线性弹性半 空间，这一受力构型对应于图１所示，为避免应力的
奇异性，接触将发生于一个具有特征线尺寸口的非零 的面积区域上。因此应力场可以由两个标量表征：在
空间方面为接触尺寸 本身；在强度方面则为平均接 触压力。对于具有几何相似性、刚性的具有固定外形
基于ANSYS／LS—DYNA的手机跌落仿真分析
工业技术
基于ＡＮＳＹＳ／ＬＳ—ＤＹＮＡ的手机跌落仿真分析
杨兴林
同济大学机械学院２０１ １级在职硕士研究生
摘要：在智能手巩产品研发的初期利用ＡＮＳＹＳ／ＬＳ＿ＤＹＮＡ的结构动力分析功能进行仿真，可以清晰地展示产品在跌落过程中各结构部件所受的应力 和应力分布，尤其是结构强度比较低的关键部件的应力及分布情况。这样可以使得工程师在产品研发的初期便可以对产品应力集中的部位或产品结 构做有针对性的结构调整和改进，以使得产品的结构获得足够的可靠性。 关键词：跌落仿：垂手机ＡＮＳＹＳ／ＬＳ—ＤＹＮＡ
０引言
手机产品的碰撞和接触问题是难以避免
的，行业内绝大多数产品的维修和报废都是 由于高速撞击导致触摸屏碎裂造成的。我国
电工电子产品基本环境试验（ＧＢ２４２３．５、６、
７、８．１９９５）￥￣定了企业必须对产品实物进行
冲击、碰撞、倾倒与翻倒、自由跌落等进行 试验… 样机试验的缺点是验后结论，即只有
在试验完成后才知道设计是否有缺陷，在产
品研发的后期一般都很难在做结构上的相应 调整，因此这种传统方法会耗费大萤的研发
时间和成本。本文将计算机仿真技术应用于
手机整机自由跌 客实验中，可以提前预见到
手机结构上存在的问题，例如哪些部位容易 产生应力集中、：骞易在跌落中遭到破坏等，
从而以更快捷地改善手机整体结构的合理
性，减少整机物理样机实验次数，缩短产品 开发周期，降低产品开发成本。
１理论基础
１．１碰撞运动方程
在总体坐标系下，碰撞的运动方程可以 表示为【 ］：
【Ｍ］｛ａ）＋［ｃ】 ｛ｖ） ＋［Ｋ】｛ｄ｝＝｛Ｆ“ ｝ （１） 式中：【Ｍ】为结构的质量矩阵；为结构的
阻尼矩阵；［Ｋ】为结构的刚度矩阵：｛ａ｝为加速 度向量；｛ｖ）为速度向量；｛ｄ）为位移向量；｛Ｆ ｝
为包括碰撞力内的外力向量。 若令｛Ｆ ｊ＝ｉｆ］（ｖ｝＋【Ｋ］｛ｄ｝，并设
｛Ｆ ）＝｛Ｆ“）一｛ ｝，则碰撞方程可以写成为；
［Ｍ］｛ａ）＝｛Ｆｒｅ ｝ （２） 若采用集中质量，即质量矩阵【Ｍ】变成对
基于LS-DYNA的土壤侵彻过程研究
科技论坛 ・８３・
基于ＬＳ—ＤＹＮＡ 的土壤侵彻过程研究
徐策
（中航通飞研究院有限公司，广东珠海５１９０４０）
摘要：本文通过ＬＳ—ＤＹＮＡ非线性动力学分析软件对三种不同头部形状的弹体垂直侵彻土壤的过程进行了数值仿真，在初速度
为５００ｍ／ｓ时获取了弹体侵彻靶板的深度、速度、加速度及能量变化曲线，仿真结果表明：三种不同头部形状的弹性弹体在５００ｍ／ｓ的初速
度下侵彻泡沫土壤的深度差别不大，平头弹体的速度损失最快，剩余速度最小，动能的损失最多。
关键词：侵彻；能量；数值仿真
１概述 人们对侵彻问题的研究由来已久，在这 方面应用最广泛的当属钢筋混凝土结构，围
绕这方面的研究也非常多。然而对于土壤的
侵彻研究却很少，一方面原因是应用的场合 比较少，另外一方面是因为侵彻过程是一个
高速、高温、高压、高应变率并且伴随大变形
的过程，采用合适的本构模型来模拟被侵彻
物非常重要，但是土壤的性状又非常复杂，历
史上虽然提出了很多描述土壤性状的著名模 型［１ｌ，但是到目前尚无完备的模型。本文选取
了一种描述土壤性状的模型Ｓｏｉｌ＿Ａｎｄ—Ｆｏａｍ，
利用通用有限元分析软件ＬＳ—ＤＹＮＡ，对三种
不同头部形状的弹体垂直侵彻泡沫土壤过程 进行研究，在验证该模型的同时，希望找出土
壤侵彻的一点规律。
２数值模拟方法 假设弹体垂直侵彻无限大目标靶板，考 虑到结构的对称性，将弹体和靶板都取１／４建
模，采用３Ｄ Ｓｏｌｉｄ １６４单元，靶板边界条件设
为非反射边界１２１３］，建模时弹头分别选取平头、 锥头和圆头，三个模型的长度、径均相同，如
图１所示。模拟仿真时采用拉格朗日算法，接
触类型采用Ｓｕｒｆａｓｅ ｔｏ Ｓｕｒｆ和Ｅｒｏｄｉｎｇ（ＥＳＴＳ），
即侵彻接触。
弹体材料选取４３４０钢，采用Ｊｏｈｎ— ｓｏｎ—Ｃｏｏｋ模型及Ｇｒｕｎｅｓｉｅｎ状态方程，靶体采
用Ｓｏｉｌ＿Ａｎｄ—Ｆｏａｍ模型Ｈ，材料参数详见表１
和表２，采用ｇ—ｃｍ一 单位制。本构关系
螺旋刀具土壤切削过程模拟分析——基于ANSYS／LS—DYNA971
２０１ １年４月 农机化研究 第４期
螺旋刀具土壤切削过程模拟分析
一基于ＡＮＳＹＳ／ＬＳ—ＤＹＮＡ９７ １
薛子萱，吕新民，唐卫卫
（西北农林科技大学机械与电子工程学院，陕西杨凌７１２１００）
摘要：根据立式螺旋开沟机的工作特点，在ＡＮＳＹＳ中建立了螺旋刀具切削土壤的有限元模型，并运用显式动 力分析程序ＬＳ—ＤＹＮＡ９７１对螺旋刀具土壤过程进行了数值模拟分析，分析结果与实际工作情况吻合，得到了切 削过程中土壤的等效应力分布情况。结果表明，土壤在切削时，主要受到刀具挤压和剪切破坏。当切削力升高 到土壤破坏强度时，土壤迅速失效，为揭示土壤切削状态和开沟机优化设计提供了依据。 关键词：显式动力分析；螺旋刀具；土壤；有限元模型 中图分类号：ｓ２２２．５ ５；Ｓ１２６ 文献标识码ｉ Ａ 文章编号：１００３—１８８Ｘ（２０１１）０４－００１３－０４
０ 引言
立式螺旋开沟机开沟过程中，螺旋刀具对土壤的
切削、提升和抛洒等工作一次性完成。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
基于LS-dyna的油菜单圆盘开沟器切削茎秆土壤动态仿真
云南农业大学学报Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｙｕｎｎａｎ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１５，３０（６）：９４１—９４５
ＩＳＳＮ １００４—３９０Ｘ；ＣＯＤＥＮ ＹＮＤＸＡＸ ｈｔｔｐ：／／ｘｂ．ｙｎａｕ．ｅｄｕ．ａｎ
Ｅ—ｍａｉｌ：ｘｂ＠ｙｎａｕ．ｅｄｕ．ａＮ
ＤＯＩ：１０．１６２１ ｌ／ｊ．ｉｓｓｎ．１００４—３９０Ｘ（ｎ）．２０１５．０６．０１７
基于ＬＳ－ｄｙｎａ的油菜单圆盘开沟器
切削茎秆土壤动态仿真
张 建 ，王 颖 ，王淑红 ，周训谦
（１．毕节市工业学校，贵州毕节５５１７００；２．长风科技有限责任公司，甘肃兰州７３００００；
３．兰州工业学院，甘肃兰州７３００００；４．毕节市农业机械研究所，贵州毕节５５１７００）
摘要：开沟器是油菜播种机的核心部件。为提高有限元法在复杂土壤环境下的仿真精度，建立接近实际的土
壤模型，了解茎秆混合物对切削阻力的影响，本研究运用ＬＳ—ｄｙｎａ软件对山区小型人力油菜播种机的开沟器
切削茎秆和土壤的混合物进行了仿真。结果表明：开沟器以０．８４ ｍ／ｓ前进和１５ ｒ／ｓ旋转时，单个开沟器切削
土壤的切削阻力最大值为１４．４ Ｎ；切削茎秆和土壤的混合物时的最大切削阻力为５３６ Ｎ。通过理论计算验证了
仿真的合理性，此研究为山区小型人力油菜播种机参数优化设计提供参考。
关键词：油菜；开沟器；ＬＳ．ｄｙｎａ；茎秆；土壤；切削
中图分类号：Ｓ ２２３．２５ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００４—３９０Ｘ（２０１５）０６—０９４１—０５
Ｔｈｅ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｓｏｉｌ Ｃｕｔｔｉｎｇ ｗｉｔｈ
Ｃｏｌｅｓｅｅｄ Ｓｉｎｇｌｅ－ｄｉｓｃ Ｃｏｌｔｅｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＬＳ－ｄｙｎａ
ＺＨＡＮＧ Ｊｉａｎ ，ＷＡＮＧ Ｙｉｎｇ ，ＷＡＮＧ Ｓｈｕｈｏｎｇ ，ＺＨＯＵ Ｘｕｎｑｉａｎ
（１．Ｂｉｊｉｅ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｓｃｈｏｏｌ，Ｂｉｊｉｅ ５５ １７００，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｌｉｍｉｔｅｄ ｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｃｏｍｐａｎｙ ｏｆ Ｃｈａｎｇ Ｆｅｎｇ，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００００，Ｃｈｉｎａ；
基于ls-dyna的振动旋耕三维数值模拟
第２８卷第２期 ２０１１年２月 机 电 工 程 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖ０Ｉ＿２８ Ｎｏ．２ Ｆｅｂ．２０¨
基于Ｉｓ－ｄｙｎａ的振动旋耕三维数值模拟
张 宪，孔 涛，蒋建东，王扬渝
（浙江工业大学特种装备制造与先进加工技术教育部重点实验室，浙江杭州３１００１４）
摘要：为了改善小农机前进阻力及扭矩，对振动旋耕切削进行了力学分析，并采用显示动力学软件Ｌｓ—ｄｙｎａ求解器，运用ＡＮＳＹＳ进 行了仿真设置，结合ＭＡＴＩ４７材料模型就松土刀具对土壤的切割过程进行了＿一维动态仿真。初步分析结果表明，数值模拟结果是 合理的，较精准地模拟了松土刀具对土壤的切割过程。仿真结果表明，振动旋耕切削对前进阻力及扭矩都有着较大改善，是一种有 效的技术途径和方法。 关键词：振动；旋耕；数值模拟 中图分类号：ＴＨ６ｉＴＨ１６１．６；￥２２２．３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００１—４５５１（２０１１）０２—０１４４—０４
３－Ｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｖｉｂｒａｔｉｏｎａｌ ｒｏｔａｒｙ ｔｉｌｌａｇｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｉｓ—ｄｙｎａ
ＺＨＡＮＧ Ｘｉａｎ，ＫＯＮＧ Ｔａｏ，ＪＩＡＮＧ Ｊｉａｎ—ｄｏｎｇ，ＷＡＮＧ Ｙａｎｇ—ｙｕ （Ｔｈｅ ＭＯＥ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｓｐｅｃｉａｌ Ｐｕｒｐｏｓｅ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ａｎｄ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００１４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｍａｌｌ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｍａｃｈｉｎｅｒｙ’Ｓ ｆｏｒｗａｒｄ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ａｎｄ ｔｏｒｑｕｅ，ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎａｌ ｒｏ— ｔａｘｙ ｔｉｌｌａｇｅ ｆｏｒｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｗａｓ ｔａｋｅｎ．Ｕｓｉｎｇ ｄｙｎａｍｉｃ ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｌｓ—ｄｙｎａ ｓｏｌｖｅｒ ａｎｄ ＡＮＳＹＳ ｓｉｎｍｌａｔｉｏｎ ｓｅｔｔｉｎｇｓ，ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ＭＡＴＩ４７ ｍａｔｅｒｉａｌ ｍｏｄｅｌ，ｔｈｅ ｃｕｔｔｉｎｇ ｔｏｏｌ ｏｆ ｓｏｉｌ ｏｎ ｔｈｅ ３ Ｄ ｄｙｎａｍｉｃ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｗａｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｏｉｌ ｃｕｔｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｉｓ ａｃｃｕｒａｔｅ ａｎｄ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎａｌ ｒｏｔａｒｙ ｔｉｌｌ— ａｇｅ ｈａｓ ｇｏｏｄ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｆｏｒｗａｒｄ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ａｎｄ ｔｏｒｑｕｅ．Ｉｔ ｉｓ ａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ａｐｐｒｏａｃｈ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｖｉｂｒａｔｉｏｎ；ｒｏｔａｒｙ ｔｉｌｌａｇｅ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ