[发明专利]基于热流固耦合行为的摆式犁犁铧凿削损伤的确定方法

说明书

本发明公开了基于热流固耦合行为的摆式犁犁铧凿削损伤的确定方法，包括如下步骤：步骤一、设置求解过程基本假设；步骤二、确定边界条件；步骤三、建立摆式犁犁铧的流体域和固体域的求解模型；步骤四、网格划分；步骤五、建立摆式犁犁铧流体域、固体域以及传热特性的控制方程；步骤六、建立摆式犁犁铧热流固耦合模型，采用数值方法求解。本发明考虑了流场、固场和温度场三者耦合行为对摆式犁犁铧凿削损伤的影响。

技术领域

本发明属于农业机械技术领域，具体涉及基于热流固耦合行为的摆式犁犁铧凿削损伤的确定方法。

背景技术

犁铧是摆式犁体上重要的耕作部件。当摆式犁田间作业时，犁铧的铧尖区为其最关键的工作部位。铧尖的主要作用是入土、切土，此时，土壤因原有结合力的联系破坏而变形、破裂；铧尖区也会因土壤、砂石的反复扰动和凿削作用，诱发耕犁损伤：形成塑性变形冲击坑、造成微区冷作硬化、出现磨屑剥落，对犁体的切削寿命和使用性能影响较大。因此，确定摆式犁犁铧的凿削损伤对改善摆式犁耕作性能、提高犁体作业寿命具有非常重要的现实意义。

目前，人们为了确定摆式犁犁铧铧尖区的凿削损伤，主要采用三种方法：传统分析法、离散单元法和有限元分析，具体研究成果如下：Terzaghi K假定耕作土壤为刚塑性体，提出采用静力学平衡传统分析的方法，求解以自由面、耕作部件与土体的相互作用边界以及破裂线(面)组成的力隔离体，确定了犁铧铧尖区土体载荷的变化及分布状况。Horner DA通过研究土壤-犁体相互运动过程，提出将土体看作独立不连续质点集合体的设想，采用基于牛顿运动定律的三维半球离散单元法，研究了犁铧切土时土壤颗粒质点间的相互运动和动力学行为。郭志军采用有限元分析的方法研究了犁铧铧尖部件刃口的几何形状对切削性能的影响，预测了犁铧铧尖区法向、切向应力分布和铧尖区发生失效的位置。

但是，土壤切削是土壤-犁体相互作用的动态过程，因此，在确定犁铧凿削损伤时，需要研究土壤-犁体相互作用的细观力学过程，应该综合考虑土壤的流态行为、形态演变效应和切削破坏等因素。上述研究均没有考虑土壤-犁铧相互流体流动行为，更为重要的是，随着犁体耕速提高，土垡在犁体面上流速加快，土壤-犁铧相互作用将增强，犁铧铧尖区耕作温度会升高，进而出现热疲劳。此时，犁铧工作在一个流体、热及结构耦合的多物理场耦合的环境中。因此，确定摆式犁犁铧铧尖区凿削损伤，除了需要考虑土壤-犁铧相互流体流动行为之外，还应考虑犁体由于高速耕作产生的较高耕耘温度的影响，这样所得到的结果应该更加符合犁体的实际耕作状况。然而，迄今在农业工程技术领域没有考虑流场、固场和温度场三者耦合行为对摆式犁犁铧凿削损伤的影响。

发明内容

本发明的目的是提供基于热流固耦合行为的摆式犁犁铧凿削损伤的确定方法，考虑流场、固场和温度场三者耦合行为对摆式犁犁铧凿削损伤的影响，这样的计算结果会更加符合高速犁体的实际耕作状况。

本发明提供了如下的技术方案：基于热流固耦合行为的摆式犁犁铧凿削损伤的确定方法，包括如下步骤：

步骤一、设置求解过程基本假设；

步骤二、确定边界条件；

步骤三、建立摆式犁犁铧的流体域和固体域的求解模型；

所述流体域的求解模型为：

当|τ|＞τ_Y时，

当|τ|≤τ_Y时，

其中，τ为剪切应力；为剪切应变；τ_Y为屈服强度；μ为塑性粘度；

步骤四、网格划分

借助热流固耦合专业软件对摆式犁犁铧的流体域和固体域进行网格划分；

步骤五、建立摆式犁犁铧流体域、固体域以及传热特性的控制方程；