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土鉆主要由手柄、鉆桿，鉆筒、取土槽和鉆頭5部分組成，如圖所示。其中鉆頭、鉆筒和取土槽總稱(chēng)為鉆頭部分。土鉆鉆頭的整體形狀為圓柱筒型結(jié)構(gòu)。其與金屬切削刀具結(jié)構(gòu)由前刀面、主切削刃、副切削刃、后刀面、鉆筒內(nèi)壁和鉆筒外壁組成。前刀面與鉆筒內(nèi)壁相內(nèi)切，與開(kāi)口槽構(gòu)成雙旋刃機(jī)構(gòu)。鉆頭部分是決定土鉆取土效率的最關(guān)鍵的部分；而雙旋刃結(jié)構(gòu)又是在鉆頭的結(jié)構(gòu)的重要組成部分，在土鉆取土過(guò)程中起著非常重要的作用。
土鉆在取土過(guò)程中，首先前刀面的頂端接觸土壤，然后整個(gè)雙旋刃結(jié)構(gòu)慢慢地增加接觸土壤的面積，這時(shí)土壤受到擠壓，形成層狀。前刀面與鉆筒內(nèi)壁相內(nèi)切，層狀土壤更容易順著前刀面旋轉(zhuǎn)進(jìn)入鉆筒，形成卷狀的土壤更易壓實(shí)，能夠有效地克服土壤的阻力，也使土壤保持原樣，為后續(xù)土壤的檢測(cè)做好準(zhǔn)備。雙旋刀刃結(jié)構(gòu)減少了與土壤的接觸面積，借助刀口斜面通過(guò)旋轉(zhuǎn)有效克服土壤阻力，使剖面原狀土以及淹水土壤原狀土取樣得以實(shí)現(xiàn)。鉆頭刀刃是關(guān)鍵的部分，它的好壞直接影響著取土性能，有必要對(duì)鉆頭進(jìn)行靜力學(xué)有限元分析。
土鉆在切削土壤獲得土壤樣本時(shí)，受到土壤對(duì)鉆頭的切削阻力。這些阻力主要包括，
1)貫入阻力。當(dāng)土鉆切削土壤時(shí)，土壤被壓實(shí)松緊程度對(duì)鉆頭切削部分所產(chǎn)生的阻力，稱(chēng)為貫入阻力，它與土壤地面的壓實(shí)程度和土鉆切削土壤的深度有關(guān)。
貫入阻力實(shí)際上反映了鉆頭在距離地表面。位置，鉆頭切削土壤受到的有效阻力。
2)摩擦力。土壤的摩擦力分為內(nèi)摩擦力和外摩擦力兩部分。內(nèi)摩擦力是土壤顆粒之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)所受到的阻力，當(dāng)外力大于內(nèi)摩擦力時(shí)土壤發(fā)生斷裂或破碎。外摩擦力是土壤與鉆頭金屬壁產(chǎn)生對(duì)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的阻力，研究鉆頭所受的摩擦力是指外摩擦力。
附著力和摩擦力的區(qū)別是：附著力是土壤在金屬表面發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)之前土壤對(duì)金屬表面所作用的力；摩擦力是土壤與金屬表面發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)土壤對(duì)金屬表面的作用力。所以，土壤對(duì)土鉆切削時(shí)的阻力等于附著力與摩擦力之和。
ANSYS提供了兩種方法來(lái)構(gòu)建有限元模型，一種是建�；�?qū)雽?shí)體模型，另一種是直接用單元和節(jié)點(diǎn)生成有限元模型。根據(jù)需要，本文選擇前者，即在Proe3.0中創(chuàng)建完實(shí)體模型后導(dǎo)入ANSYS，再生成有限元模型。
在ANSYS軟件中，SOLID92有二次方位移和能很好劃分不規(guī)則的網(wǎng)格(譬如由各種各樣的CAD/CAM系統(tǒng)生產(chǎn))。此單元由10個(gè)點(diǎn)定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)自由度：節(jié)點(diǎn)，y方向位移，并且單元有可塑性、蠕動(dòng)、膨脹、應(yīng)力鋼化、大變形和大張力的能力。本文選擇計(jì)算單元為SOLID92。
在對(duì)鉆頭進(jìn)行靜強(qiáng)度分析時(shí)，ANSYS軟件要求必須要定義材料的屬性。鉆頭的材料為9Mn2V彈性模量取E=210GPa，泊松比=0.26。
ANSYS提供兩種網(wǎng)格劃分方法：自由網(wǎng)格和映射網(wǎng)格。其中，自由網(wǎng)格劃分操作對(duì)實(shí)體模型無(wú)特殊要求，任何幾何模型，即使是不規(guī)則的也可以進(jìn)行網(wǎng)格劃分。
本文選擇自由網(wǎng)絡(luò)化命令，將網(wǎng)格尺寸選擇即網(wǎng)格劃分水平的最高級(jí)別。劃分網(wǎng)格后生成的有限元模型，如圖所示。此有限元模型有2357個(gè)單元和5045個(gè)節(jié)點(diǎn)。
引入合適的邊界條件會(huì)提高計(jì)算精度，邊界約束應(yīng)盡量與實(shí)際相符，避免出現(xiàn)過(guò)約束或欠約束。土鉆的鉆頭與鉆筒直接相連接，鉆頭在工作過(guò)程中，連接部分相當(dāng)于固定端約束，即藝F=0，M=0。鉆頭所受到的力主要是作用在前刀面上，可以把該力進(jìn)一步簡(jiǎn)化為在兩個(gè)前刀面上的均布面載荷，即在模型的連接圓環(huán)面上施加固定的全約束，并在鉆頭兩個(gè)前刀面上施加均布面載荷。
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