犁体曲面设计的数学解析法

190年前就已提出,对犁这样一种属于全人类具有长期广泛使用历史的重要工具,其曲面应该能用科学的标志——数学解析法来描述和设计。至今,国内外各种直元线、曲元线和其他设计法联同其参数选择仍然基本上属于经验式,因为都不能将所耕土壤的物理力学特性量、耕后要求达到的土垡状况、耕速阻力等工况与曲面形状曲面参数在设计中有机地联系起来。本文提出一种企图将这些因素联系起来的设计法。犁耕中土垡的运动仍用土垡剖面的翻转来描述。犁体曲面即为曲率在不断变化的土垡剖面底边线在翻转中扫描所成的空间曲面,其解析式为泛函ψ(x,y,z)=f_1(x)y~2+f_2(x)y+f_3(x)z+f_4(x)=0。土垡剖面底边任意点土粒在曲面上的运动迹线为以土垡剖面底边的底点为瞬时轴心,以从轴心至该任意点距离为半径的柱面与曲面的交线,其方程为(?)。通过对土粒在曲面上运动迹线的微分几何分析,建立了不同土壤在不同耕速下土垡合理翻转而阻力最小的几项曲面主要参数的选择判断式。导出了制作曲面时所需的各条样板曲线的方程式。最后规定了整个曲面设计的具体步骤。     

元线非直线型铧式犁几何与力学特性研究

降低铧式犁耕作阻力,减少能源消耗,是国内外农业机械研究者一直非常关注的课题。铧式犁犁体曲面成型方法是元线沿着准线按照一定规律运动形成,元线与准线形式是影响铧式犁耕作阻力的两个重要因素。以BTU3 5犁体为基础,用三角函数曲线代替直线作为元线形成新犁体曲面,采用有限元分析方法 ,将两犁体曲面耕作阻力进行比较。研究发现:三角曲线作为元线形成的犁体曲面耕作阻力较小,在5、6、7km/h时耕作阻力分别比原犁体降低2.5%、4.1%、3.9%。结合直线与sin函数曲线曲率变化情况,可得出结论:变曲率犁体曲面更有利于降低耕作阻力。     

设施农业就地翻土犁结构设计与仿真

针对铧式犁使土垡侧移而无法适应设施农业耕作需求的难题,设计一款新式犁体.基于铧式犁的设计方法水平直元法和翻土曲线族法,提出一种翻土曲元法.通过对犁体导曲线、翻土曲元线的设计,由翻土元线中点穿透于导曲线且翻土元线角度按照规律变化后得到一种翻垡后土垡无侧移且无犁沟的就地翻土犁体曲面,利用Solidworks建立就地翻土犁数...     

犁体曲面设计的数学方法

目前世界各国所采用的各种设计犁体曲面的方法,都因为没有解析表达式,而不能把耕作中的几种主要因素有机地联系起来,因而犁体曲面的设计大都停留在经验的基础上。 本文通过变形垡片的滚翻运动,利用Hermite插值公式,建立了犁体曲面的解析表达式: Z(x,y)=F_1(x)y~3+F_2(x)y~2+F_3(x)y+F_4(x) 通过对变形垡片的运动分析,分析了曲面设计参数的变化规律,建立了参数间的相互关系,确定了它们的取值范围,从而初步地把五种设计因素联系起来,给出了用数学方法设计曲面的具体步骤。 本文试图为犁体曲面的设计提供一种新的设计方法——用数学的方法设计犁体曲面。对犁体曲面加以数学模型化,为进一步用电子计算机设计曲面提供了基础。     

犁体曲面的三维建模及曲面分析

应用三维CAD软件设计犁体曲面是目前先进的技术,可省略许多复杂的计算,同时可降低成本。先确定计算主要参数,而后分析传统犁体曲面的设计方法和三维CAD软件建模的方法,找出有共性的点,线,面,再通过计算得到导曲线和直元线,导曲线可用箭状曲率分析命令进行曲线光顺度分析。设计出的犁体曲面先用旋转和放大命令直接观查是否有缺陷,其后可用曲面分析的方法全面分析性能曲线;翻土曲线等如达不到要求可修改参数自动更新图形。     

油菜直播机开沟犁体曲面优化与试验

为减小油菜直播机开畦沟系统牵引阻力并分析机组不同作业速度对牵引阻力影响的规律,开展了开畦沟犁体曲面参数与作业速度的试验研究。建立了EDEM离散元土壤仿真模型,以犁体牵引阻力为试验指标分别开展以铧刃起土角、导曲线开度、直元线起始角、直元线最大角及作业速度为试验因素的试验;构建了犁体曲面优化模型,并开展了犁体曲面的3D打印及试制加工。仿真试验结果表明:在试验范围内,牵引阻力随铧刃起土角增大而减小,分别随导曲线开度、直元线起始角、直元线最大角增大而增大,随作业速度的增大而急剧增大,作业速度从1.0 m/s增加到2.0 m/s,牵引阻力及功耗分别为前者的1.98倍及3.97倍;仿真优化结果表明:当犁体在一定工作参数条件下,铧刃起土角为15°,导曲线开度为190 mm,直元线起始角为35°,直元线最大角为40°时,犁体牵引阻力最小为241.11 N,比优化前减少11.26%。为考察优化犁体实际田间作业效果,对犁体进行3D打印及试制加工并与原有犁体进行田间对比试验,结果表明优化犁体作业的畦沟沟底大块土垡少,残留土壤质量减少62.87%,沟底干净,T型沟明显。     

犁体曲面的三维建模及曲面分析

应用三维CAD软件设计犁体曲面是目前先进的技术,可省略许多复杂的计算,同时可降低成本。先确定计算主要参数,而后分析传统犁体曲面的设计方法和三维CAD软件建模的方法,找出有共性的点,线,面,再通过计算得到导曲线和直元线,导曲线可用箭状曲率分析命令进行曲线光顺度分析。设计出的犁体曲面先用旋转和放大命令直接观查是否有缺陷,其后可用曲面分析的方法全面分析性能曲线;翻土曲线等如达不到要求可修改参数自动更新图形。     

几种犁体性能试验与曲面分析

通过美国四类五种及国产两种犁体曲面测绘和北京郊区田间性能试验,采用数理统计方法,推导出犁体曲面水平元线角拟合方程:美国犁体为:(0相似文献   

高速犁体曲面的性能分析及主要参数的选择

通过对高速犁体曲面的分析及对铧刃角θ0、犁翼处的侧向角θn、犁铧和犁壁的起土角α及犁体曲面顶边线的最大高度Hmax等主要参数的分析选择,说明了高速犁体和常速犁体的性能和参数差异,从而为今后高速犁体的设计奠定了基础。     

犁体参数化设计系统的研究

为提高犁体设计效率,引入参数化设计和专家知识库的技术,以犁体曲面十二参数法数学模型和犁体曲面的构成线方程为基础,推导样板曲线方程和犁托的样板曲线方程,通过知识库来表达参数化设计过程中的非数值化专家经验和设计常识.编写了犁体参数化设计系统,实例表明,该系统只需输入耕宽、耕深和耕速3个参数,可自动生成各种型号犁体及零部件的二维工程图和三维造型图,设计时间由几个月缩短为20min左右.     

犁体CAD通用数学模型的研究

通过对Ｂ样条理论的研究,创建了新的通用犁体曲面和样板曲线数学模型及其参数造型,该模型库自动化程度高,数据处理便捷,无需分片描述,曲线曲面（包括犁体曲面,样板曲线,翻土曲线）整体即可可达到二阶参数（Ｃ＾２）连续,具有较高的光顺性利用该模型库结合三维图形,实体造型和图像模拟技术开发的ＣＡＤＴ使犁体曲面的优化,设计过程自始至终都十分直观,透明和方便,有效提高了设计质量和效率。     

犁体曲面离散元仿真试验与参数优化

为了优化犁体曲面结构参数、减小铧式犁耕作阻力,采用水平直元线法设计犁体曲面,运用Solidworks软件建立实体模型,利用EDEM软件建立犁体—土壤离散元模型,并以犁体阻力最小为目标,对犁体铧刃角、犁铲安装角和导曲线扣垡角三因素进行正交仿真试验。仿真结果表明:所建立的犁体—土壤离散元模型可以较好地反映犁体在耕作过程中的阻力的变化情况,犁体阻力随着犁体与土壤接触面积的增大而增大,当犁体全部进入耕作状态时,犁体所受阻力达到2 621～2 795N,且趋于稳定。正交试验结果表明:铧刃角对犁体阻力影响极显著,犁铲安装角和导曲线扣垡角对犁体阻力影响显著。犁体结构最佳设计参数组合为:铧刃角45°,犁铲安装角25°,导曲线扣垡角5°,犁体阻力为2532 N,比优化前减少6. 36%。研究结果为犁体曲面优化设计提供一种离散元分析方法,也为犁体曲面的设计提供数据参考。     

土垡横剖面翻转法形成高速犁体曲面

根据“土垡横剖面翻转法”设计了犁体曲面,提出的犁体曲面数学模型,反映了工况参数与农艺要求的关系,可以根据不同的要求设计出达到预期效果的犁体曲面,为犁体曲面的解析设计提供了一种新方法。     

计算机绘图在犁体曲面设计中的应用

为了加速犁体曲面设计参数和方案的选择及生产上的应用(指样板曲线),本文作者用FORTRAN语言编制了一套计算绘图程序,在DJS-8计算机上对犁体曲面的轮廓线、水平迹线、性能曲线以及样板曲线等进行了计算,同时在DC300绘图机上绘出了图形,试验证明效果良好。     

铧式犁减阻性能研究

优化铧式犁犁体曲面形状,降低耕作阻力,是一项亟待解决的问题。从犁体曲面成型方法可知,导曲线形状是影响铧式犁耕作阻力的一个重要因素。为此,以BTU35犁体为基础,在Solid Works中建立5种不同导曲线犁体,并将模型导入ANSYS进行显示动力学分析,得到其耕作阻力。仿真试验表明:以四次多项式曲线为导曲线形成的犁体耕作阻力较小,在3km/h时降阻3.75%,7km/h时降阻4.56%,平均降阻3.93%。结合不同导曲线曲率半径变化情况与工作阻力之间的关系,可得结论:导曲线曲率半径变化复杂的犁体有较好的减阻性能。     

基于微分几何与EDEM的船型开畦沟装置触土曲面优化

针对长江中下游地区油菜种植时土壤黏重板结、含水率波动大、播种作业需开畦沟避免渍害的农艺要求,考虑开沟犁体的触土曲面复杂、难以通过高速数字化土槽及田间试验方法寻求其减阻设计方法和理论依据的问题,采用微分几何理论并结合EDEM仿真方法,开展了驱动圆盘犁对置组合式耕整机开畦沟装置主要触土曲面结构优化研究。通过对主要触土曲面(开畦沟前犁犁体曲面、船式开沟犁整形曲面)牵引阻力分析和曲面参数分析,确定了触土曲面主要结构参数范围。根据微分几何理论,分别建立了能量化描述不同导曲线类型(直线、抛物线、指数曲线)犁体曲面形状变化差异的微分内蕴几何量E、L、M表达式。阻力特性仿真试验结果表明:在作业速度为0. 9～1. 5 m/s、曲面结构参数一定时,导曲线为抛物线型的开畦沟前犁和船式开沟犁具有较好的减阻特性,其平均牵引阻力相比直线型犁体分别低15. 09%、16. 92%,相比指数线型犁体分别低32. 59%、31. 58%。触土曲面的内蕴几何量E、L、M可分别反映犁体阻力随速度的增长速率、犁体牵引阻力大小、犁体阻力随速度的波动程度。当设计犁体的导曲线形状使曲面内蕴几何量E的变化率较小、L为单调减函数、M的波动较小时,犁体具有较好的减阻性能。参数优化仿真试验表明:在作业速度为1. 2 m/s、抛物线型开畦沟前犁宽度为92 mm、船式开沟犁整形曲面最大元线角为66°时,开畦沟装置牵引阻力最小,为1 042. 52 N。田间试验表明:经参数优化的组合式船型开畦沟装置在作业速度为0. 9、1. 2、1. 5 m/s时测试的平均牵引阻力分别为956. 77、1 101. 33、1 564. 85 N,与仿真试验结果误差在7%以内,作业效果满足油菜播种开畦沟的农艺要求。     

基于UG的犁体曲面建模及其仿真分析

根据铧式犁结构特点,利用UG强大的建模及仿真功能,对犁体曲面进行建模,并对犁体曲面的耕作过程进行动力学仿真分析,得出曲面参数对犁体工作性能的影响,提高了设计效率,从而为犁体曲面的优化设计奠定基础。     

犁体曲面最佳拟合

本文介绍了形成犁体曲面的一种方法——样板曲线扫描法。构造了犁体曲面的特性函数。把犁体曲面最佳拟合问题归结为求解一个含有N个变元及M个不等式约束的非线性规划问题。从而在最佳拟合的意义下,得到犁体曲面的数学表达式。已成功地用于对南方系列水田犁的各种犁体曲面进行数学描述。     

碎土型犁体曲面作业过程的仿真分析——基于ANSYS/LS-DYNA

在农机作业中,铧式犁主要是通过犁体曲面完成对土壤的切土和翻垡,达到土壤耕作的目的.犁体曲面的参数对铧式犁的工作性能和动力消耗都有较大的影响.为此,利用数学建模中参数化建模的方法对碎土型犁体曲面进行建模,并对犁体曲面耕翻过程进行动力学仿真分析,得出优化的曲面参数及其各项参数对犁体曲面工作性能(牵引阻力、翻馑性能)的影响,从而达到对铧式犁优化设计的目的.     

犁体曲面装配孔精确定位的神经网络方法

犁体曲面装配孔的位置精度要求很高，稍有偏差就会影响耕作效果。采用神经网络方法对二维平面节点与三维空间节点之间的关系进行描述，建立了二者之间的网络映射矩阵。将平面点的二维坐标代入该网络，即可计算出精确的三维坐标。以犁体曲面的装配孔为例，利用自适应学习率的BP网络进行了网络训练和仿真计算，结果表明，这种方法可以获得很高的定位精度，并已应用于1LF435犁体曲面的设计中。