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基于螳螂前足结构特征的仿生切茬刀片设计

作　者: 李默
导　师: 佟金; 陈东辉
学　校: 吉林大学
专　业: 农业机械化工程
关键词: 有限元模型螳螂形态力学性能模糊相似仿生设计切茬刀片
分类号: S222.3
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

在中国北方地区，农民习惯把残留在地表的作物根茬挖掘出来并就地焚烧，这种根茬处理方式不但费时费力，而且严重污染环境。因此，研究设计一种简单高效的根茬切割工具不仅能够提高农业生产的作业效率也满足了保护生态环境方面的需求。本文基于对螳螂前足结构特征的研究，设计了几种仿生切茬刀片，并利用有限元建模方法和实际试验测量来分析其切茬性能。长期以来，土壤耕作作为农业工程领域中的热点，一直备受专家学者的关注。实质上，任何一个耕种的操作过程都可以视为工件切削和粉碎土壤的过程，而耕作阻力的大小主要取决于耕作部件的形状、土壤质地与作业方式。在实际研究中，几乎所有用于田间作业的土壤切削工具的设计和改良都是依靠大量的田间试验经反复摸索得到的。解决合理化建模的问题即可减少甚至取代繁琐耗时、花费高昂的田间试验。而有限元分析方法在建模分析这一方面展现出了显著的优势，只要能够选择出一个合适的本构关系来描述土壤材料，并对某一耕作工具的形状和非线性接触关系建立计算机模型，就可以对该耕作部件的作业过程进行动态仿真模拟。本工作建立了一个计算机预测模型，通过有限元分析方法计算分析旋耕作业中常用的切土部件—L型直刀的工作阻力。将旋转速度和旋转方式对刀片工作阻力的影响作为对比分析的主要因素，考察三种不同旋转速度（220r/min，300r/min，388r/min）与两种旋转方式（逆转旋切、正转旋切）条件下，L刀的工作阻力情况。并在土槽试验室内构建了一套切削阻力测试装置以测量L刀的切土阻力。通过有限元模型预测与实际土槽测量的对比，得到了预测值与真实值近似的结论，进而证实了有限元仿真模型的可靠性与合理性。因此，本工作中的有限元模型可作为一个简单可靠的预测工具，在农业耕种模式及作业工具的设计研发中发挥一定作用。螳螂是昆虫界最优秀的捕食者之一，它的前足胫节与腿节布满了极为锋利的锯齿状的刺，且能够准确迅猛地向猎物发起进攻，牢牢钳住猎物，这种锐利的齿状结构与排列方式对于实现切割刀具的减阻降耗的仿生设计具有重要意义。本工作中通过使用体视显微镜对螳螂前足的表面形态进行分析，提取了螳螂前足轮廓形状的相关几何参数，为切割刀片的仿生设计提供了参考信息。并且，提出了模糊相似的概念与相似度的判断和计算方法。同时，利用扫描电子显微镜对前足端爪、胫节、腿节表面及其体刺表面进行微观分析。除形态分析外，本工作中亦使用显微硬度仪和纳米力学测试系统分别测量以上部位的硬度和强度，探讨螳螂前足的力学性能。综合对螳螂胫节、腿节及端爪的形貌分析、显微硬度和纳米力学性能的测量，发现螳螂前足的似镰刀形状能很好的钳住猎物完成捕食动作，而紧密排列的鳞片形结构单元和棱条形结构单元，为其提供了卓越的机械性能，从而打造了一对强韧有力、迅猛锐利的捕食工具。基于对螳螂前足的形态研究，本工作借鉴螳螂胫节和腿节上的齿刺形状与排列形式，并参考薯类等地下作物收获机械的工作方式，设计出几种仿生根茬切割刀具及试验配套机具。并利用有限元预测模型与田间试验测量的方式比较几种刀片的切土性能。结果表明切茬刀片的刃口形状对切土阻力有较大的影响，无仿生元素的参考刀片所产生的切削阻力与切土功耗均高于3种仿生齿形刀片的切土阻力和功耗。而刀片的前进速度对切土阻力、切土功耗影响不大。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-12
第一章绪论  12-22
  1.1 立题意义  12-13
  1.2 常用切茬方式与部件  13-16
    1.2.1 收获机械中的切割器设计  13-14
    1.2.2 土壤耕作机械中的切割部件  14-16
  1.3 有限元方法在农业生产上的应用  16-17
  1.4 农业工程中的仿生技术应用  17-19
  1.5 本工作主要研究内容  19-20
  1.6 创新之处  20-22
第二章土壤切削的有限元模型建立与验证  22-48
  2.1 有限元模型在描述土壤耕作问题中的应用  22
  2.2 L 型除茬刀切土模型建立  22-35
    2.2.1 土壤本构模型与强度理论  23-29
    2.2.2 土壤模型参数的测定  29-31
    2.2.3 有限元模型的描述  31-35
  2.3 L 刀切土性能试验  35-38
    2.3.1 试验设备  35-37
    2.3.2 试验安排  37-38
  2.4 结果与讨论  38-46
    2.4.1 仿真结果  38-44
    2.4.2 试验结果  44-45
    2.4.3 有限元仿真计算结果与实际测量的比较  45-46
  2.5 本章小结  46-48
第三章螳螂前足齿形结构  48-66
  3.1 螳螂的生物学特征  48-49
  3.2 螳螂前足的表观形貌  49-57
    3.2.1 螳螂前足的基本测量  49-51
    3.2.2 基于螳螂端爪轮廓提出的模糊相似度  51-57
  3.3 螳螂前足的显微结构  57-60
  3.4 螳螂前足的显微硬度  60-61
  3.5 螳螂前足的纳米力学性能分析  61-64
  3.6 本章小结  64-66
第四章仿生切茬刀片的设计与加工  66-78
  4.1 切茬刀的设计思想  66-69
  4.2 仿生平面切茬刀的主要参数  69-72
  4.3 仿生切茬刀的加工  72-73
  4.4 仿生切茬刀试验配套部件的设计与加工  73-76
  4.5 本章小结  76-78
第五章仿生切茬刀的有限元模型分析与性能试验  78-96
  5.1 仿生切茬刀片的切土模型  78-81
    5.1.1 切茬刀片的仿真模型  78-80
    5.1.2 土壤模型  80
    5.1.3 约束条件与接触类型  80-81
  5.2 有限元分析结果与讨论  81-86
  5.3 切茬刀切土性能试验  86-93
    5.3.1 试验设备与方法  86-87
    5.3.2 试验结果与分析  87-93
  5.4 本章小结  93-96
第六章仿生切茬刀片的田间试验  96-112
  6.1 试验设备与仪器  96-98
  6.2 试验方案  98-99
  6.3 试验地土壤参数  99-101
  6.4 结果与分析  101-110
    6.4.1 正态分布  101-102
    6.4.2 两重威布尔分布  102-103
    6.4.3 K-S 检验  103-104
    6.4.4 模拟退火算法  104
    6.4.5 运算结果分析  104-106
    6.4.6 切茬阻力结果比较  106-109
    6.4.7 切茬作业效果  109-110
  6.5 本章小结  110-112
第七章结论与展望  112-116
  7.1 主要研究结论  112-113
  7.2 后续工作展望  113-116
参考文献  116-126
附录  126-136
攻读学位期间发表的学术论文及参加科研项目情况  136-138
致谢  138-140
导师及作者简介  140-148

基于螳螂前足结构特征的仿生切茬刀片设计

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