基于狗獾爪趾的仿生深松铲结构设计与试验

针对现有深松铲存在的耕作阻力较大及能耗较高等问题,利用仿生学原理将狗獾爪趾的曲线应用到深松铲的结构设计中,设计了一种铲柄刃口为多项式曲线、铲尖为圆弧形的新型深松铲。为研究其耕作效果,将所设计的深松铲与国标深松铲进行了室内土槽对比试验。试验结果表明:在相同的深松试验条件下,仿生深松铲比国标深松铲的耕作阻力减小了13.33%~21.72%,仿生深松铲减阻效果明显;仿生铲柄与国标铲尖组合比国标深松铲耕作阻力减小了3.01%~7.61%,仿生铲尖与国标铲柄的组合比国标深松铲耕作阻力减小了7.67%~16.9 7%,仿生铲尖的减阻效果显著于仿生铲柄的减阻效果。     

基于东方蝼蛄爪趾的仿生旋耕刀设计与试验

为了降低旋耕刀耕作时的能耗,本文基于东方蝼蛄前足爪趾轮廓拟合曲线的特征,利用逆向工程技术将东方蝼蛄前足爪趾1、2、3、4的轮廓曲线依次排列于IT245国标旋耕刀的正切刃与回转半径末端边缘,设计了仿生旋耕刀.建立南方粘湿土壤-旋耕刀相互作用仿真模型,分析不同刀轴转速下国标旋耕刀、仿生旋耕刀扭矩和三向阻力的变化规律,结合室...     

基于离散元的菠菜收获机根切铲优化设计与试验

针对菠菜收获过程中收获散乱、根切阻力大等问题,从根土复合体特性着手,分析收获过程中菠菜根、土壤与根切铲之间的互作关系,以优化根系聚拢、减少土壤雍堵和降低铲切阻力,提高菠菜切根效率。设计了一种兼具切根与根系聚拢功能的新型根切铲,建立了根切受力模型,对铲刀的关键参数进行计算优化,确定了铲刀滑切角为60°,刃口角为45°;测定了菠菜根的生物力学特性,建立菠菜根柔性体离散元模型,并基于颗粒接触力学模型的本构方程计算出菠菜根的粘结参数,结合土壤模型建立菠菜根土复合体,并对各项参数进行标定;构建了根切铲与根土复合体的铲切过程仿真,明晰根切铲的工作机理,确定影响切根与根系聚拢性能的主要参数。利用响应面法对根切铲各项参数进行优化,确定根切铲的最优设计参数为：铲翼角76°、铲翼长度占比57%、铲槽面积占比40%。田间根切试验表明：根切合格率均值为93.8%,采收率均值为87.2%。本研究可为菠菜收获机根切机构的研制提供理论指导。     

圆盘犁刀仿生设计与试验优化方法

为了有效地降低圆盘犁刀的粘附积土量和工作阻力,基于仿生研究的理论和技术,确定了圆盘犁刀仿生设计参数,说明了其制作工艺过程和方法。采用二次回归试验设计方法,确定了仿生圆盘犁正交优化试验方案,为仿生圆盘犁的试验研究奠定了基础。     

芯铧式开沟器仿生设计与试验

针对高速作业条件下芯铧式开沟器阻力过大的问题,基于狗獾犬齿曲面的高效低阻贯穿结构,提出了一种开沟器仿生设计方法。对狗獾犬齿进行三维扫描,获取点云数据,采用Matlab软件拟合了4条狗獾犬齿曲线,设计并加工了4种滑动式开沟装置,并进行了对比试验分析。在作业深度50mm条件下,以开沟装置类型、作业速度为试验因素,以水平方向作业阻力为主要指标,以开沟装置开出沟形的沟深、沟宽、侧垄高和侧垄宽为次要指标,进行了土槽试验。试验结果表明,在同一作业速度下,优化的各滑动式开沟装置的阻力均比标准芯铧式开沟器小。在作业速度为3.6、5.4、7.2km/h的条件下,优化的滑动式开沟装置比标准芯铧式开沟器作业阻力分别降低8.04%、8.15%、8.71%;标准芯铧式开沟器与优化的滑动式开沟装置所开沟形的沟深、沟宽、侧垄高和侧垄宽的变异系数均低于5%。     

基于狗獾爪趾的仿生深松铲振动减阻研究

为降低深松作业的耕作阻力,对基于狗獾爪趾的仿生深松铲进行了振动减阻性能的研究,将仿生减阻技术与振动减阻技术相结合,研究减阻效果。同时,在耕作速度为0.6、1.0m/s和耕作深度为250、300mm的条件下进行仿生深松铲的振动减阻试验。试验结果表明:振动式深松铲的耕作阻力随着耕作深度和耕作速度的不断增大而增大;在相同的试验条件下,仿生深松铲振动耕作方式的耕作阻力比未带振动耕作方式的耕作阻力减小1 3.0 5%~1 8.9 4%,减阻效果明显。     

基于贝壳棱纹结构的仿生除草轮设计与分析

小麦在生长过程中极易受到杂草的侵扰,造成产量下降和品质降低。传统的除草轮在切入土壤的过程中会受到较大的阻力,离开土壤时易产生土壤黏附现象,对除草效率产生不利的影响。为此,以栉孔扇贝瓣为仿生原型,对除草轮进行仿生设计,并利用有限元软件ABAQUS对除草轮与土壤的相互作用进行模拟分析,利用电子万能试验机对除草刀片与土壤的相互作用进行试验分析。研究结果表明：仿生除草轮与原始除草轮相比,可以有效降低除草作业时的阻力,减少土壤黏附现象,为除草轮的优化设计提供依据。     

仿生非光滑水田犁壁的设计及田间应用试验

水田犁田间作业时土壤对犁壁的严重粘附,将导致犁耕阻力增加、油耗增大、耕作质量和生产效率降低。经过大量的试验研究,已发现典型土壤动物蜣螂体表的减粘降阻和脱附效应,并据此开发了仿生犁壁。在前期研究基础上,考察仿生非光滑水田犁壁面上几何非光滑结构单元的尺寸和分布对犁耕阻力的影响,进行了设计参数优化,研制出具有减粘降阻性能的仿生非光滑水田犁壁。田间对比测试表明:仿生非光滑水田犁壁与普通光滑水田犁壁相比,降低犁耕阻力15.9%~18.0%,减少油耗11.9%,提高生产率20.5%。该犁壁耕翻的碎垡率高,耕作质量良好,有较好的实际应用前景。     

马铃薯曲面式播种开沟器仿生设计与试验

针对马铃薯播种开沟器高速作业条件下作业阻力大、回土深度浅、干湿土易混合等问题,基于黄鳍金枪鱼下颚流线型曲线,采用水平直元线法将原有曲线重构为三维曲面,设计一种仿黄鳍金枪鱼下颚曲线的曲面式开沟器.根据马铃薯种植深度的农艺要求,当最大作业深度为150 mm时,采用滑切原理确定了最大刃口角为132°,元线角为27 °.为探究...     

基于离散元法的三七仿生挖掘铲设计与试验

为减小三七收获过程中的挖掘阻力,以三七根茎及种植土壤为研究对象,测定本征物理参数,设置Bonding键参数建立三七根茎的离散元模型,分析根土粘结机理,利用Hertz-Mindlin with JKR建立三七根茎-种植土壤离散元复合模型;建立并分析挖掘铲的理论力学模型,确定仿生挖掘铲设计尺寸(长×宽×厚)为：360 mm×150 mm×8 mm、入土角30°、铲尖半角60°;采集野猪头三维模型的点云数据,确定仿生铲的结构曲线方程,建立仿生挖掘铲的三维模型;开展仿生挖掘铲与平面挖掘铲的仿真对比试验,追踪颗粒位移流向得平均位移以及平均挖掘阻力,分析颗粒的速度矢量明晰了挖掘铲面的减阻机理,得仿生挖掘铲的仿真试验减阻率为19.15%;利用高速摄影和阻力采集设备开展土槽试验,结果表明土壤颗粒流向与仿真趋势一致,仿生挖掘铲和平面挖掘铲的平均挖掘阻力为1 207.23、1 594.49 N,仿生挖掘铲减阻率为24.29%,与仿真试验减阻率十分接近,验证了离散元模型准确可靠、挖掘铲力学模型构建准确,仿生结构设计合理。     

水面矢量推进器仿生设计与试验

以蛇怪蜥蜴为仿生对象,基于蛇怪蜥蜴股骨旋转带动两脚踏水的高速运动行为,设计了水面仿生矢量推进器,增加了驱动力输出维数,实现了可控的托举力、推进力和转矩输出。结合RNG k-ε湍流方程和PISO算法,构建推进器的流体动力学模型,获得了叶片径向和轴向的最优设计形状,推导了驱动力与叶片长度和宽度的数学函数。最后,搭建矢量推进器试验系统,验证了数值计算模型的正确性;进行两栖车辆样机试验,矢量推进器驱动车体实现了10.6°仰角状态的滑水航行,为水面装置减阻提速提供了一种新思路。     

仿生咀嚼装置设计与试验

模仿人类咀嚼系统,利用仿生技术设计了一种用于粉碎食物的仿生咀嚼装置.采用逆向工程方法设计制作了仿生牙齿、仿生颞下颌关节等零部件,并组装成咀嚼装置,实现了三维咀嚼运动,确定了运动参数.咀嚼功能测试结果表明,本装置的咬合力可达到咀嚼食物的力量,并且可根据食物的不同而改变;本装置的咀嚼效率和受试者无显著差异,最大值可达92.3％;重复试验无显著差异,本装置稳定可靠.     

基于黄牛舌尖丝状乳突结构的仿生脱粒齿形设计与试验

为解决小麦机械脱粒过程中脱净率低的问题,以牛舌舌尖表面丝状乳突结构为仿生原型,开展了小麦仿生脱粒齿形设计与试验。对牛舌舌尖表面进行形貌特征观测,发现舌尖表面丝状乳突分布密度大,结构特征明显,丝状乳突的轮廓呈圆锥状,下粗上细,整体相对粗壮,尖部呈半球形,与牛舌表面呈35°～40°夹角,向口腔方向倾斜。构建乳突-物料接触工作界面,包括完全分离、初始接触、乳突插入物料及完全接触4个过程。基于丝状乳突结构特征参数,构建仿生齿形模型,进行单仿生齿形脱粒仿真试验,得到单仿生齿形脱粒最优参数组合:放大比例为2. 5、行进速度为15 mm/s、倾角为38°、接触位置为齿形全高度的0. 2倍处、材料为Q345碳钢。设计了仿生脱粒齿形试验部件及台架,进行仿生脱粒齿形正交试验,并对脱粒过程进行摄像分析。结果表明,仿生脱粒齿形试验部件的脱粒性能良好,脱净率介于97. 5%～99. 5%之间;最优结构参数组合为:放大比例2. 565、倾角39. 8°、脱粒间隙9. 11 mm。     

宁前胡仿生挖掘铲设计与试验

针对宁前胡采挖过程中挖掘阻力大的问题,以鲨鱼背鳍为研究对象,并结合农艺要求,设计了一款宁前胡仿生挖掘铲;根据摩尔-库仑理论中土体应力分析,当选用鲨鱼背鳍结构作为仿生铲的凸起结构时,土壤更易达到破裂状态;通过三维扫描仪扫描鲨鱼标本,获取鲨鱼背鳍三维模型,根据背鳍三维模型确定仿生铲的凸起结构,并通过NX12.0创建仿生挖掘铲三维模型;利用三维扫描仪获得宁前胡根茎外形轮廓特征,创建宁前胡根茎的离散元模型,并选用Hertz-Mindlin with JKR建立宁前胡根茎-土壤离散元复合模型;通过离散元仿真对比试验,得出X、Y、Z方向颗粒位移和挖掘阻力的平均值,分析挖掘铲的减阻机理,仿生铲比平面铲在采挖过程中阻力减小14.37%;通过开展土槽试验,对比根茎挖掘效果,与仿真试验中得出的宁前胡根茎在仿生挖掘铲挖掘后,根茎在X、Y、Z方向上有更好的位移表现,仿生铲和平面铲的挖掘阻力平均值分别为1 342.28、1 622.73 N,仿生铲比平面铲在采挖过程中阻力减小17.28%,与仿真试验得出的减阻率十分接近,满足宁前胡采挖过程中的减阻要求。     

基于鲟鱼头部曲线的植保分禾吊杆组合装置设计与试验

针对作物生长中后期进行植保作业时茎叶背面及植株中、下部雾滴沉积较差的问题,以鲟鱼头部曲线为仿生原型,进行了植保仿生分禾与吊杆组合施药装置设计与试验.基于仿生构建提取了鲟鱼头部轮廓曲线,实现分禾叶片结构仿生,并分析了茎叶减伤机理,通过理论分析建立茎秆弯曲和回弹数学模型,确定了分禾叶片宽度、喷头距分禾叶片尾端距离等关键结构...     

以砂鱼蜥头部为原型的仿生深松铲尖设计与离散元仿真

为解决传统深松机具触土部件破土困难、耕作阻力大等问题,以砂鱼蜥头部为仿生原型,采用逆向工程技术对其特殊几何特征进行提取,将量化后的几何结构特征应用于深松铲尖的设计,以期减小深松铲作业阻力和能耗。依据不同特征曲面,设计了3种仿生铲尖试样,并与凿型铲尖试样进行性能对比。建立离散元模型,求解不同铲尖垂直贯入土壤阻力;制备试样,通过万能试验机进行土壤垂直贯入实测试验;将模拟结果和实测试验结果进行对比,结果表明离散元仿真分析和实测试验结果吻合较好,最大贯入阻力的相对误差为2.47%～3.91%。使用离散元法分析仿生铲尖和凿型铲尖（T-S）在土壤分层情况下的相互作用,证实仿生铲尖比凿型铲尖具有更低的所需牵引力,其中仿生铲尖B-S-2减阻效果最好,相对于凿型铲尖,其减阻率为8.34%～19.31%。离散元分析揭示砂鱼蜥头部仿生曲线特殊的曲率变化对破土阻力有显著影响,仿生铲尖改变了土壤颗粒的流动方向,减小了铲尖上方土壤扰动范围,从而降低所需牵引力。在3种作业速度和3种耕作深度下对阻力的仿真结果与土槽试验结果进行对比,误差为10.83%～17.06%。     

单行木薯块根收获机仿生铲的设计与试验

针对目前木薯块根收获机挖掘铲存在入土困难、碎土及排土效果不理想及工作强度不足等问题,基于工程仿生学理论,结合动力学知识,提出并设计了一种模仿犬爪趾形状的仿生铲.基于Design-Expert软件中的试验设计方法,以作业速度、土壤含水率及挖掘铲类型为试验因素,以挖薯率、伤薯率为试验指标,对挖掘铲的工作参数进行试验研究,建...