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挖掘机獾爪趾仿生斗齿提高其入土性能仿真与试验 总被引：3，自引：3，他引：0
为解决挖掘机斗齿入土阻力大,易断裂的问题,该文利用Handyscan700扫描仪获取獾右前爪中趾表面的三维点云,提取獾爪趾的侧面轮廓曲线,并进行拟合得到曲线方程,将获取的曲线方程运用到斗齿的设计中,利用三维软件建立斗齿模型。运用有限元分析软件对仿生斗齿和80型斗齿的力学性能和切土过程进行数值模拟,对比分析了力学性能的差异以及能量损耗与切土深度的关系。采用快速成型加工技术加工出了仿生斗齿与80型斗齿试样。利用电子万能试验机对2种试样进行了楔土试验,测定了楔入阻力与楔入深度的关系。结果表明：在施加相同载荷的情况下,仿生斗齿所产生的最大等效应力小于80型斗齿的,破坏的可能性小,比较安全;当斗齿的入土深度相同时,仿生斗齿的消耗的能量总小于80型斗齿;在同样条件下,仿生斗齿的楔入阻力较80型斗齿低11.9%～12.6%。该文以獾爪趾为仿生原型设计的挖掘机斗齿不仅解决了工程中遇到的问题,还为减阻部件的开发提供了新思路,具有重要的参考价值。 相似文献
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基于亚塑性本构模型的土壤-触土部件SPH互作模型 总被引：1，自引：1，他引：0
触土部件是农机的主要组成部分,高精度的土壤-触土部件互作模型对农业耕作触土部件的节能优化设计具有重大意义。为提高土壤切削过程数值模拟的精确度,该研究基于光滑粒子流体动力学（Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH）框架,从土壤亚塑性本构模型出发,结合土壤-触土部件接触模型,提出一种土壤-触土部件互作模型。通过砂土坍塌试验和土壤切削试验,对比分析了模拟仿真和物理试验中砂土自由表面演变、内部应力变化、土壤静止和运动分界面形态以及粒子位移。在此基础上对4种不同形状刀具的土壤切削过程进行模拟,以土壤切应力、位移分布表征刀具在切削过程中对土壤的破坏情况,讨论了大半径抛物线型刀具切削过程中的土壤粒子速度场,并得出不同形状刀具切削阻力的变化规律。结果表明,刀具水平切削阻力的模拟值和试验值平均相对误差为9.885%,说明所提模型对刀具水平切削阻力的预测精度较高。研究结果可为土壤-触土部件互作模型的建立提供新的思路,为触土部件的优化设计提供参考。 相似文献
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推土板的仿生分形设计 总被引：4，自引：0，他引：4
大量的仿生几何非光滑触土部件减粘降阻的试验研究结果表明,触土部件表面上的几何非光滑结构单元的分布对其减粘降阻效果具有显著的影响[1]。该文利用蜣螂体表几何非光滑结构单元(GUSU)分布的生物信息,进行了推土板仿生分形设计并对所设计的推土板进行了推土试验。利用试验优化设计技术,初步考察了推土板上几何非光滑结构单元的分布对推土阻力的影响 相似文献
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楔形减阻旋耕刀设计与试验 总被引：5，自引：3，他引：2
为解决旋耕整地作业阻力大、能耗高等问题,该文基于旋耕刀理论受力模型设计了一种楔形减阻旋耕刀。采用Inventor和HyperMesh软件分别创建国标旋耕刀及楔形减阻旋耕刀的三维模型和切削土壤模型,分析了楔形减阻旋耕刀的应力强度,对比了国标旋耕刀与楔形减阻旋耕刀的切削阻力。通过田间试验对比了国标旋耕刀与楔形减阻旋耕刀的扭矩、功耗与碎土率。结果表明:楔形减阻旋耕刀所受最大应力为29.49 MPa,远小于材料的屈服强度430 MPa,在保证刀身强度的前提下,与国标旋耕刀相比,楔形减阻旋耕刀质量减轻8.3%;平均切削阻力较国标旋耕刀下降10.65%。在相同工况条件下,楔形减阻旋耕刀的平均扭矩为648.916 N·m,较国标旋耕刀下降11.35%;楔形减阻旋耕刀的平均功耗为67.3kW,较国标旋耕刀下降9.29%,碎土率提高4%,耐磨性能与国标旋耕刀持平,能够达到在降低作业功耗的同时,提高耕作质量并保证刀具使用寿命。 相似文献
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为了揭示超声波高频振动条件下农机触土部件与土壤的相互作用力学特性,构建了该条件下农机触土部件运动理论模型,基于所建模型,分析了高频振动条件下触土部件与土壤间相互作用中的接触分离条件和冲击碎裂效应,理论上解析了超声波振动条件下触土部件碎土与降阻机理。设计建立了超声波振动触土部件土槽试验系统,试验研究了超声波高频振动条件下触土部件工作阻力和碎土特性。试验结果表明,超声波振动激励下,触土部件工作阻力比无振动状态明显降低,土壤硬度越大,其降阻率越高,当土壤硬度由1 MPa增加到4 MPa时,降阻率从22%上升到43%;在土壤含水率15%～30%范围内,含水率越低,降阻率越大,当含水率超过30%后,随含水率的增加,降阻率略有增大。由于超声波高频振动激励下工作的触土部件对土壤的冲击碎裂和能量传递作用,能够使其瞬时工作阻力的波动稳定性得到改善和获得更强的碎土作用。在土壤硬度为1 MPa时,工作阻力的波动稳定性改善不显著,随土壤硬度的增大,工作阻力波动度降低率明显增加,当土壤硬度为2.5和4 MPa时,对应工作阻力波动度降低率达37.1%和54.3%。该研究可为高频低幅振动农机触土部件应用方案的实施提供技术支撑。 相似文献
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针对黏重黑土地区马铃薯挖掘铲挖掘阻力大、能耗高等问题，以白茅根膜质叶鞘为仿生原型，设计了一种基于仿生波纹结构的马铃薯减阻挖掘铲。基于离散元（DEM）法仿真和土槽试验，确定减阻性能最优的设计参数；通过田间试验以油耗和阻力为指标验证仿生挖掘铲的减阻效果和挖掘性能。离散元仿真得到仿生挖掘铲最佳布置方式为纵向布置；在相同纵向布置方式下，通过土槽试验得到仿生挖掘铲的波纹参数在幅值为2.5 mm、频率为0.5时表现出较为优异的减阻性能。根据最佳参数研制仿生纵波纹铲，进行普通平铲和仿生纵波纹铲的作业对比试验，结果表明仿生纵波纹铲阻力减少了14.45%，单位油耗减少了17.15%。研究表明仿生纵波纹铲具有较好的减阻特性，仿生结构设计合理，能实现黏重黑土条件下马铃薯收获挖掘作业，可为整机节能减耗的研究奠定基础。 相似文献
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铲片是树木移植机的重要工作部件,其尺寸参数、形状以及数量分布决定着移植机的挖土性能和整机的能耗大小。为了有效减小铲片切削土壤时所受阻力、减小整机能耗,该文根据树木移植机的工作状况和特点,对铲片进受力分析并建立力学模型。仿照土壤动物步甲的掘土器官大颚的体表结构设计非光滑仿生铲片,运用动力学分析软件ANSYS/LS-DYNA对原型铲片和仿生铲片切削土壤过程进行数值优化,通过原型铲片的数值仿真确定最佳铲片切削角为83?,在相同的铲片结构和土壤条件下,数值优化得到仿生铲片最佳参数为表面凸起直径14 mm,凸起中心距28 mm,凸起高度4 mm。根据最佳参数研制仿生铲片,并安装在移树机上进行原型铲片和仿生铲片的作业对比试验,发现仿生铲片有效减阻11.11%,证明了仿生非光滑铲片具有较好的减阻特性,可为整机节能降耗奠定基础。 相似文献
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鼹鼠多趾结构特征仿生旋耕刀设计与试验 总被引：3，自引：2，他引：1
为减小旋耕刀切土扭矩来降低旋耕机功耗,同时提高旋耕机耕作质量,该文分析了鼹鼠前肢手掌多趾组合结构和趾尖轮廓曲线特征,利用二次高斯方程拟合五个趾尖轮廓曲线(R2 0.95和SSE 0.05),并基于拟合曲线,设计了具有鼹鼠多趾结构特征的仿生旋耕刀。通过田间试验,分析传统型和仿生型旋耕刀在不同机组前进速度、转速和耕深条件下的整机功耗、土壤破碎率和沟底压实情况,得到仿生结构特征对整机田间耕作性能的影响。结果表明,当前进速度从1 km/h增加到5 km/h时,仿生型旋耕刀的整机功耗平均减小16.88%;当转速从254 r/min增加到267 r/min时,仿生型旋耕刀的整机功耗平均减小17.00%;当耕深从80 mm增加到160 mm时,仿生型旋耕刀的整机功耗平均减小21.80%。传统型旋耕刀耕后的沟底有压实现象,且沟脊高而宽,耕作效果不佳;而仿生型旋耕刀可以显著地降低耕后沟底被压实的风险,沟底平整,可进一步减小耕作功耗。2种类型旋耕刀在不同耕作条件下的整机土壤破碎率耕深稳定性、耕宽稳定性、耕后地表植被覆盖率、耕后地表平整度和土壤蓬松度在数值上相差不大,且均满足国标要求。研究结果对实现旋耕刀减阻降耗和改善耕作质量具有一定的启发。 相似文献
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仿生波纹形开沟器减黏降阻性能测试与分析 总被引：12，自引：11，他引：1
针对现有普通开沟器在工作过程中易粘土、阻力大等问题,提出一种仿生波纹形开沟器。该仿生开沟器依据土壤动物与生俱来的减黏脱土特性和超高分子量聚乙烯优异的减黏性能,在原有普通开沟器基础上进行设计制造。该文通过田间试验,将牵引阻力设为试验指标,使用正交设计检验仿生开沟器相对于普通开沟器减黏降阻的效果和探究仿生开沟器非光滑表面形态的减黏降阻机理。试验表明,仿生开沟器减黏降阻的效果高于普通开沟器9%左右;入土深度是影响开沟器牵引阻力的主要因素,其次是土壤湿度,工作速度影响最小;通过3因素4水平正交组合试验得出使用仿生开沟器的最优条件:土壤湿度达到16.3%,入土深度有6 cm,工作速度为1.8 km/h。仿生波纹形开沟器具有良好的减黏降阻效果,为后续的仿生开沟器或其他触土部件研究提供参考。 相似文献
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形态/材料耦合仿生功能表面减阻特性及机制 总被引：1，自引：2，他引：1
模仿海豚皮肤特殊结构的形态/材料耦合仿生功能表面可有效降低流体机械表面阻力,是流体机械实现节能减排的研究热点。该文采用流固耦合模拟技术,针对上述功能表面的面层材料及基底仿生形态2种耦合因素,各取3种不同的数值模型,对其减阻特性进行研究。计算结果表明:面层材料的弹性模量及基底仿生形态的间距对其减阻特性影响较大;面层材料的弹性模量越小,其顺应流体介质的能力越强,减阻效果越好;基底仿生形态的间距对于黏性阻力的影响效果显著,当间距为2 mm时,其减阻效果最好。减阻机制主要体现为:仿生耦合功能表面面层材料的弹性变形导致其实际流固接触界面与流固耦合界面产生分离,使其表面速度梯度降低,从而实现表面摩擦阻力的降低。 相似文献
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基于离散元法的凸圆刃式深松铲减阻效果仿真分析与试验 总被引：12，自引：11，他引：1
针对深松作业阻力大、能耗高等问题,该文在深松铲铲尖顶部设计了一种能有效减阻降耗的凸圆刃。以安装凸圆刃的凸圆刃式深松铲为研究对象,建立了土壤模型。为提高土壤模型的准确性,选用非线性粘结弹性塑形接触模型(edinburgh elasto-plastic adhesion model,EEPA),对凸圆刃式深松铲进行耕作阻力虚拟仿真。利用插件将颗粒与深松铲接触作用力导出,分析凸圆刃式深松铲应力和形变,校验其结构强度;采用EDEM软件分析不同耕深和速度对深松耕作阻力的影响,并以国标深松铲为比较对象,分析了凸圆刃式深松铲的减阻效果;通过田间试验验证了土壤模型和凸圆刃式深松铲设计的准确性和可行性。田间试验结果表明,与国标深松铲相比,凸圆刃式深松铲耕作阻力平均降低了10.24%。仿真结果与实测值较为接近,数值误差在3%～10%,证明土壤模型基本符合土壤的力学特性,能近似代替真实的土壤环境。该研究证明了采用离散元法分析深松耕作阻力可行性,可为进一步优化深松铲结构提供参考。 相似文献
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天牛仿生大麻收割机切割刀片设计与试验 总被引：4，自引：4，他引：0
针对现有大麻收割机切割刀片存在切割阻力大、功耗高、割茬质量差的问题。运用仿生学原理,通过提取天牛上颚切割齿部位齿廓曲线,以天牛切割齿廓代替普通稻麦收割机刀片的三角形尖齿,设计了仿生切割刀片。利用双动刀切割装置测试平台,对收割期大麻茎秆进行了仿生刀片和普遍刀片单茎秆切割性能对比试验。试验表明,2种刀片的切割力-位移曲线都可分为挤压、切割和切割完毕3个阶段,其中仿生刀片具有切入能力强、切割茬口较平齐、切割质量好的优势。通过对2组切割试验数据进行均值统计和方差分析可知,仿生刀片和普通刀片单茎秆最大切割力和切割功耗平均值分别为442.6、478.1 N和2.16、2.35 J,仿生刀片和普通刀片相比,平均最大切割力和切割功耗分别降低7.4%和8.0%,表明仿生刀片较普通刀片具有更优的减阻降耗性能;方差分析表明刀片类型对单茎秆最大切割力影响极显著(P0.01),对单茎秆切割功耗影响显著(P0.05)。 相似文献
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蚯蚓仿生注液沃土装置设计与试验 总被引：1，自引：1，他引：0
蚯蚓吞噬土壤,构建洞穴,发挥了肥沃土壤的重要作用。该文借助工程仿生技术手段,运用计算机图像处理技术对蚯蚓头部、体节轮廓图像进行量化分析,提取并拟合蚯蚓头部和体节的轮廓曲线,构建注液沃土装置的仿生几何结构表面。仿蚯蚓背孔排布方式设计了3孔和6孔注液型沃土装置,以UHMWPE为材料制备样机,并采用农机土槽试验系统开展注液沃土装置样机选型试验,考察孔数、是否注液、材料、表面结构4个参数对工作阻力和土壤粘附量的影响。试验结果表明,各参数对工作阻力的影响程度依次为:注液孔数材料表面结构;对土壤粘附量的影响程度依次为:表面结构孔数材料注液。从8类样机中确定的优选类型为:有6个注液孔、UHMWPE材质且具有仿生几何结构表面的仿生注液沃土装置。对选定的样机进行验证,结果表明:在相同试验条件下,该样机的平均工作阻力为283.48 N,平均土壤粘附量值为10.93 g,均低于其他类型样机。该研究工作可为实施机械化沃土工程提供技术参考。 相似文献
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《Soil & Tillage Research》2004,75(1):61-73
In this paper a finite element investigation of the tillage of dry sandy soil, using the hypoplastic constitutive material model, is described. In most earth moving machinery, such as bulldozers or tillage tools, the working tool is a blade. Hence for tillage systems, accurately predicting the forces acting on the blade is of prime importance in helping to enhance productivity. The initial conditions, such as blade geometry or soil type, and operating conditions, such as cutting speed and cutting depth, have been shown experimentally to have a great effect on machine productivity. Experimental studies give valuable insights but can be expensive and may be limited to certain cutting speeds and depths. Results are also highly dependent on the accuracy of the measuring devices. However with increasing computational power and the development of more sophisticated material models, finite element analysis shows more promise in analyzing the factors affecting soil–blade interaction. Most of the available finite element studies in the literature are two-dimensional or if three-dimensional (3D), are limited to a certain blade displacement depending on the element distortion limit before the solution has convergence problems. In this study, a 3D finite element analysis of soil–blade interaction was carried out based on predefined horizontal and vertical failure surfaces, to investigate the behavior of the soil–blade interface and study the effect of blade-cutting width and lateral boundary width on predicted forces. Sandy soil was considered in this study and modeled using the hypoplastic constitutive model implemented in a commercial finite code, ‘ABAQUS’. Results reveal the validity of the concept of predefined failure surfaces in simulating soil–blade interaction and the significant effect of blade-cutting width, lateral boundary width and soil swelling on cutting forces. 相似文献