数据显示：基于ANSYS的土钻钻头的有限元分析2023/2/21 12:15:57

会呼吸的痛

土钻主要由手柄、钻杆，钻筒、取土槽和钻头5部分组成，如图所示。其中钻头、钻筒和取土槽总称为钻头部分。土钻钻头的整体形状为圆柱筒型结构。其与金属切削刀具结构由前刀面、主切削刃、副切削刃、后刀面、钻筒内壁和钻筒外壁组成。前刀面与钻筒内壁相内切，与开口槽构成双旋刃机构。钻头部分是决定土钻取土效率的比较关键的部分；而双旋刃结构又是在钻头的结构的重要组成部分，在土钻取土过程中起着非常重要的作用。有限元分析的相关资讯可以到我们网站了解一下，从专业角度出发为您解答相关问题，给您优质的服务！

土钻在取土过程中，首先前刀面的高端接触土壤，然后整个双旋刃结构慢慢地增加接触土壤的面积，这时土壤受到挤压，形成层状。前刀面与钻筒内壁相内切，层状土壤更容易顺着前刀面旋转进入钻筒，形成卷状的土壤更易压，能够有效地克服土壤的阻力，也使土壤保持原样，为后续土壤的检测做好准备。双旋刀刃结构减少了与土壤的接触面积，借助刀口斜面通过旋转有效克服土壤阻力，使剖面原状土以及淹水土壤原状土取样得以现。钻头刀刃是关键的部分，它的好坏直接影响着取土性能，有必要对钻头进行静力学有限元分析。


土钻在切削土壤获得土壤样本时，受到土壤对钻头的切削阻力。这些阻力主要包括，


1)贯入阻力。当土钻切削土壤时，土壤被压松紧程度对钻头切削部分所产生的阻力，称为贯入阻力，它与土壤地面的压程度和土钻切削土壤的深度有关。


贯入阻力际上反映了钻头在距离地表面。位置，钻头切削土壤受到的有效阻力。


2)摩擦力。土壤的摩擦力分为内摩擦力和外摩擦力两部分。内摩擦力是土壤颗粒之间产生相对运动所受到的阻力，当外力大于内摩擦力时土壤发生断裂或破碎。外摩擦力是土壤与钻头金属壁产生对运动所产生的阻力，研究钻头所受的摩擦力是指外摩擦力。


附着力和摩擦力的区别是：附着力是土壤在金属表面发生相对运动之前土壤对金属表面所作用的力；摩擦力是土壤与金属表面发生相对运动时土壤对金属表面的作用力。所以，土壤对土钻切削时的阻力等于附着力与摩擦力之和。


ANSYS提供了两种方法来构建有限元模型，一种是建模或导入体模型，另一种是直接用单元和节点生成有限元模型。根据需要，本文选择前者，即在P30中创建完体模型后导入ANSYS，再生成有限元模型。


在ANSYS软件中，SOLID92有二次方位移和能很好划分不规则的格(譬如由各种各样的CADCAM系统生产)。此单元由10个点定义，每个节点有3个自由度：节点，方向位移，并且单元有可塑性、蠕动、膨胀、应力钢化、大变形和大张力的能力。本文选择计算单元为SOLID92。


在对钻头进行静强度分析时，ANSYS软件要求必须要定义材料的属性。钻头的材料为9M2V弹性模量取E=210GP，泊松比=026。


ANSYS提供两种格划分方法：自由格和映格。其中，自由格划分操作对体模型特殊要求，任何几何模型，即使是不规则的也可以进行格划分。


本文选择自由络化命令，将格尺寸选择即格划分水平的比较高级别。划分格后生成的有限元模型，如图所示。此有限元模型有2357个单元和5045个节点。


引入合适的边界条件会提高计算精度，边界约束应尽量与际相符，避免出现过约束或欠约束。土钻的钻头与钻筒直接相连接，钻头在工作过程中，连接部分相当于固定端约束，即艺F=0，M=0。钻头所受到的力主要是作用在前刀面上，可以把该力进一步简化为在两个前刀面上的均布面载荷，即在模型的连接圆环面上施加固定的全约束，并在钻头两个前刀面上施加均布面载荷。