波纹表面接触土壤颗粒动态响应仿真分析

为揭示波纹表面的降阻机制,以蚯蚓体表为研究对象,应用离散单元法对接触土壤颗粒动态响应进行仿真分析.仿真得出:波纹表面接触的土壤颗粒运动过程微观可分为“分散—团聚—分散”3个阶段,宏观表现为土壤与波纹试样之间形成孔隙;波纹表面接触颗粒的X向位移与试样的前进方向一致,呈线性增加,平均位移为60.33 mm,Y向速度随着波纹表面的凹凸起伏呈正弦变化、产生微震,且大于光滑表面接触颗粒振幅,波纹表面接触颗粒和波纹的接触位置直接决定受力的大小和方向.分析表明:波纹表面接触颗粒的运动幅度和频率大于光滑表面,颗粒产生微震,且波纹表面与土壤间存在孔隙,从而使得接触面积减小、阻力降低.     

蚯蚓非光滑体表试样的法向土壤粘附特性

以赤子爱胜蚓（Eisenia foetida）为研究对象，利用微粘附力测试系统，通过单因素试验探讨蚯蚓非光滑体表的法向粘附力随含水量的变化规律；通过正交多项式设计法寻求正压力与卸载速度对蚯蚓非光滑体表法向粘附力的影响，建立了回归方程。试验结果表明，蚯蚓体表试样的法向粘附力随含水量的增加呈抛物线趋势增加，与钢试样相比，最大减粘率达到44％；正压力对法向粘附力呈二次效应关系，卸载速度对法向粘附力呈一次效应，随正压力和卸载速度的增加粘附力增加。本研究可为生物非光滑表面仿生研究以及揭示仿生耦合机制提供基础数据。     

滑转条件下星球车坡面通过性评估试验

星球车是执行深空探测任务的主要移动平台,针对星球表面崎岖地形地貌,开展滑转条件下星球车坡面沉陷研究,确保其安全通过性能具有重要意义。基于传统地面力学研究方法,以速度和坡度为试验因素,车轮滑转率和沉陷为试验指标,开展滑转条件下的缩比星球车坡面沉陷试验;分析了试验因素对各车轮滑转率影响,以及不同滑转率和速度条件下沉陷变化规律,建立了滑转率关于坡度的一元二次模型。结果表明,模型车前轮和中间轮的滑转率随速度和坡度变化趋势总体趋于一致,与后轮滑转率变化趋势明显不同。坡度为25°时,前轮和中间轮滑转率最大值达到92.3%,后轮相应的最大滑转率为61.8%。试验条件下,各车轮沉陷最大值分别为33.1 mm（前轮）、33.9 mm（中间轮）和13.6 mm（后轮）;当滑转率的范围为25%～60%时,前轮和中间轮沉陷增加的较为平缓,平均增加率为22.5%,对于后轮滑转率超过35%后,沉陷变化较小,波动范围为?1.3～1.8 mm;速度对各车轮沉陷的影响明显较滑转率的小,沉陷的相对变化率范围为?12.5%～10.7%。该研究可为低重力环境下星球车研制、坡面通过性评估提供参考。     

压实对土壤应力分布的影响仿真分析

机械土壤压实是保护性耕作急需解决的难题之一,了解压实土壤内部应力分布是减轻机械土壤压实的关键研究之一.采用离散单元法对车轮土壤压实过程进行了仿真模拟,结果表明:压实后不同耕深的土壤硬度增大,随深度变化明显,且随着土壤压实次数增多,土壤颗粒接触力增大,纵向影响域加深;车轮前3次通过,土壤硬度增加趋势明显,超过3次后土壤硬度虽有增加,但是增加程度不明显,层深为15 cm时,压实3次的土壤硬度相比没压实的增加了155.2％,而压实6次比压实3次仅增加了22.9％.研究成果对田间耕作管理措施的制定以及行走机构的优化设计提供了参考.     

蚯蚓体表自润滑仿生应用试验研究

对蚯蚓体表自润滑行为进行分析,并设计5种仿生润湿试件:通孔型、阶梯孔型、通孔倒角型、插销型以及复合型,以水为润滑剂,通过润湿试验,探讨润湿规律,为蚯蚓耦合仿生研究提供设计依据。结果表明,无论是覆盖玻璃还是有机玻璃,通孔型的喷嘴润湿整个表面所需的时间最长,而通孔倒角型喷嘴所需时间最短;在同一流速条件下、同一时间间隔内,各仿生润湿试件按润湿面积由大到小依次是:通孔倒角型、插销型、复合型、阶梯孔型、通孔型。     

刚性轮—月壤相互作用预测模型及试验研究

研究在月球表面特殊环境下的月球车牵引通过性能，对保证月球车的正常探测工作具有重要意义。在分析传统地面车辆理论与研究方法的基础上，给出了刚性轮与月壤相互作用的预测模型；使用辉南一带火山灰制备了应用于月面车辆力学基础试验中的模拟月壤；设计制造了月壤一车轮土槽试验系统。最后，在该土槽试验系统下对有轮刺轮与无轮刺轮进行了牵引性能试验，并与模型计算值进行对比。结果表明，所给模型的预测值与实测值有较好的一致性。     

铲式玉米精密播种机振动特性模型建立与试验

为了研究铲式玉米精密播种机播种性能与农田不平度激励产生振动之间的关系,推导了稳态响应与理论粒距关系数学模型。由建立的数学模型得出铲式玉米精密播种机的播种性能主要由播种机的结构特征、播种机工作速度、倾斜圆盘勺式玉米精密排种器与耕作土壤表面间的距离、土壤不平度和土壤粘性决定。理论粒距与实际粒距的对比结果表明,两者分布趋势基本相同,建立的稳态响应与理论粒距关系数学模型可用于对工作状态下播种机的播种性能进行预测和分析。     

基于地面力学的筛网轮牵引通过性研究

筛网轮具有质量轻、转向阻力小等优点,但其在松软干沙路面上的牵引通过性研究比较少。本文设计了轻型轮壤土槽测试系统,以车轮沉陷量、驱动扭矩、挂钩牵引力和牵引系数为指标,在土壤松散和自然状态下进行筛网轮和圆柱轮牵引通过性对比试验,基于轮辙非接触测量获取筛网轮表观沉陷量。结果表明：试验条件下,筛网轮实际沉陷量范围分别为13.1~26.3mm（松散状态）和8.1~18.7mm（自然状态）,较圆柱轮平均分别增加了26.4%（松散状态）和22.7%（自然状态）;随着滑转率的增加,筛网轮表观沉陷量呈现减小趋势,圆柱轮则呈现先增加后减小趋势。车轮驱动扭矩、挂钩牵引力随着滑转率的增加而增加,牵引系数呈现先增加后减小趋势;筛网轮驱动扭矩最大值分别为3.18N·m（松散状态）和3.76N〖DK〗·m（自然状态）,筛网轮挂钩牵引力最大值分别为8.46N（松散状态）和9.9N（自然状态）,自然状态土壤较松散状态时挂钩牵引力平均提高了16.7%;与筛网轮相比,圆柱轮驱动扭矩较筛网轮平均提高了45.2%,挂钩牵引力则平均提高了30.9%（松散状态）和33.6%（自然状态）;筛网轮牵引系数明显较圆柱轮大,自然状态下筛网轮牵引系数最大值为0.29,较松散状态下提高了17.9%。综合考虑车轮沉陷量、牵引系数的影响,筛网轮在干沙路面上比圆柱轮具有更好的牵引通过性。     

蚯蚓非光滑体表形貌与降阻特性

以赤子爱胜蚓(Eisenia foetida)为研究对象,制备了舒张态、静息态、收缩态3种体表试样。利用OLYMPUS体视显微镜及OLYCIATMM3图像分析系统,对蚯蚓体表形貌进行分析,结果表明蚯蚓体表形貌属于典型的波纹形非光滑结构,体部纹理小而密,非光滑单元密度较大,头部纹理大而稀,非光滑单元密度较小。头部舒张态、静息态、收缩态非光滑结构单元体宽度和高度之比分别为1.65︰1︰0.78和0.23︰1︰1.27;而体部舒张态、静息态、收缩态非光滑结构单元体宽度和高度之比分别为1.65︰1︰0.81和0.33︰1︰1.28。利用微黏附力测试系统,对蚯蚓体表展平试样和钢试样进行土壤滑动阻力试验,结果表明蚯蚓体表试样的降阻效果由大到小依次是收缩态、静息态、舒张态;而且,头部比体部降阻效果明显;与钢试样相比,头部和体部收缩态的降阻率分别为39%和29%。该研究可为生物非光滑表面仿生研究以及揭示蚯蚓体表形貌和润滑耦合仿生机制提供基础数据。     

月球车轮与月壤相互作用动力学模拟

在分析月球车轮与月壤相互作用的基础上.应用离散元软件PFC2D对月球车轮在月壤上的牵引通过性能进行了模拟研究.通过双轴试验调整离散元力学模型的细观参数.得到月壤离散元接触力学模型:其内摩擦角为42°,凝聚力为1.554 kPa,泊松比为0.41,弹性模量为77.5 MPa;通过颗粒与月球车轮接触的平均刚度.确定了车轮前进时的水平速度与沉降速度增量;在相同试验条件下,模拟试验与土槽试验的对比结果表明,两者趋势一致;有轮刺轮与光滑轮的牵引通过性能对比结果表明,在没有牵引阻力情况下.有轮刺轮滑转率为零.光滑轮滑转率为1.8%;当滑转率为10%时,光滑轮挂钩牵引力为7.71 N,有轮刺轮挂钩牵引力为121.6 N.