金龟子形态分析及深松耕作部件仿生设计

论文题目: 金龟子形态分析及深松耕作部件仿生设计

论文类型: 博士论文

论文专业: 农业机械化工程

作者: 朱凤武

导师: 佟金

关键词: 深松部件,仿生设计,金龟子,参数化分析,土壤力学,有限元法

文献来源: 吉林大学

发表年度: 2005

论文摘要: 深松作为保护性耕作的重要措施之一,耕作阻力大,能耗高是其主要特征。本论文从工程仿生学角度出发,通过对深松部件进行仿生设计和参数化分析,以降低深松部件的耕作阻力作为研究的重点。首先对金龟子科动物体形特征参数进行分析,比较各科属体形参数的变化规律。并分析了以蜣螂为代表的金龟子科动物前足胫节各齿形态特征:基齿、中齿及端齿角度;前足胫节各齿顶端轮廓线及其外缘轮廓线的形状,属于二次抛物线形状,拟合精度较高,这种抛物线形状有利于动物挖掘土壤和减小阻力,为深松部件的仿生设计提供了依据。其次,对金龟子前足楔形爪趾与土壤相互作用进行受力分析,以二面楔和三面楔的工作原理为理论基础,将其应用到深松铲的受力分析,建立了深松铲牵引阻力的数学模型。并利用动态三轴仪对耕作土壤进行了三轴测试试验,得出了试验土壤的机械特性参数,以Drucker-prager 弹塑性本构关系为土壤材料模型,进行了深松部件与土壤相互作用的有限元分析。最后,基于金龟子前足胫节齿顶轮廓线与外缘轮廓线的抛物线形状,采用VC 程序设计语言并结合ANSYS 程序,建立了深松铲形状参数化程序,得出各种参数下的深松铲牵引阻力,以此对深松铲形状参数进行优化。在上述研究的基础上对仿生深松部件进行田间测试,分析了影响深松牵引阻力的主次因素,并对实测值与参数化程序的计算值进行比较,结果表明,用参数化设计的方法来优化深松部件的仿生设计是可行的,而且采用UHMWPE 基复合材料对深松铲面进行处理能有效地减小深松铲的牵引阻力。上述研究工作及其所取得的成果突破了传统深松部件形状设计研究思路,提出了参数化程序设计和优化的方法,为深松部件的设计提供了一定基础。

论文目录:

第一章 绪论

1.1 农业机械中的几个技术问题

1.1.1 土壤对农业机械触土部件的粘附问题

1.1.2 土壤对农业机械触土部件的阻力问题

1.1.3 农业机械在松软地面的行走问题

1.2 仿生学及金龟子研究

1.2.1 仿生学的起源和发展

1.2.2 仿生学研究方法

1.2.3 金龟子研究现状

1.3 土壤洞穴动物体表特征及脱土减阻机理

1.3.1 体表疏水性及其脱土减阻机理

1.3.2 体表几何非光滑形态及其脱土减阻机理

1.3.3 体表生物电及生物微电渗脱土减阻机理

1.3.4 体表柔性及脱土减阻机理

1.3.5 土壤洞穴动物挖掘足形态及减阻行为

1.4 农业机械触土表面脱土减阻仿生技术

1.5 深松技术研究现状

1.5.1 深松对土壤理化特性和农作物生长状况的影响

1.5.2 深松部件与土壤相互作用的有限元分析

1.5.3 深松部件的参数化设计

1.6 本论文主要研究内容

第二章 金龟子体形特征参数分析

2.1 金龟子生态学和行为学特征

2.1.1 金龟子的分类与分布

2.1.2 金龟子的生态学特征

2.1.3 金龟子行为学特征

2.2 中国北方金龟子体形特征参数

2.2.1 躯体长宽比

2.2.2 金龟子的唇基

2.2.3 前胸背板

2.2.4 金龟子的足

2.3 金龟子前足形态分析

2.3.1 金龟子前足结构特点

2.3.2 龟子前足胫节与身长的比较分析

2.3.3 金龟子前足胫节外缘齿的角度分析

2.3.4 金龟子前足胫节外缘齿尺寸分析

2.3.5 金龟子前足胫节齿轮廓分析

2.4 小结

第三章 金龟子前足胫节与土壤作用的受力分析

3.1 二面楔和三面楔受力的理论分析

3.2 深松铲牵引阻力的构成

3.2.1 铲刀刀刃和铲柄刃的切割引起的阻力

3.2.2 铲刀刀面对土壤剪切破坏和土壤摩擦引起的阻力

3.2.3 铲刀刀面带动土壤使土壤搓擦松碎的牵引阻力

3.2.4 曲面型深松铲表面的受力分析

3.3 小结

第四章 深松部件与土壤相互作用有限元分析

4.1 土壤的本构关系模型

4.2 Drucker-Prager 弹塑性模型

4.3 线弹性有限元分析的基本过程

4.4 土壤与耕作部件相互作用动态有限元分析方程

4.5 接触分析

4.6 小结

第五章 试验用土壤的应力应变关系研究

5.1 传统土壤力学

5.1.1 库伦—莫尔理论

5.1.2 滑移线基本理论

5.2 试验用土壤的应力应变关系分析

5.2.1 试验条件的选择和控制

5.2.2 试验结果分析

5.3 小结

第六章 深松部件参数化设计

6.1 铲体形状参数设计

6.2 系统界面

6.3 求解过程

6.4 计算过程说明

6.5 参数化设计程序的计算实例

6.6 小结

第七章 仿生深松部件的试验研究

7.1 深松部件的设计

7.2 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)基复合材料的性能

7.3 田间试验

7.3.1 试验目的和内容

7.3.2 试验设备和仪器

7.3.3 测试系统

7.3.4 土壤参数测定

7.4 试验方案

7.4.1 正交试验安排

7.4.2 对比试验安排

7.4.3 数据采集与处理

7.5 正交试验结果与讨论

7.5.1 极差分析处理数据

7.5.2 方差分析

7.5.3 正交试验结果讨论

7.6 深松铲铲刃的自磨锐性能分析

7.7 小结

第八章 结论

参考文献

作者在攻读博士学位期间发表的论文及参与的主要科研项目

致谢

摘要

ABSTRACT

发布时间: 2005-08-26

参考文献

• [1].长足大象甲的特征、力学、运动特征及其仿生分析[D]. 许顺.吉林大学2017

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