本文摘要：摘要：為解決傳統(tǒng)深松機(jī)具觸土部件破土困難、耕作阻力大等問題，以砂魚蜥頭部為仿生原型，采用逆向工程技術(shù)對其特殊幾何特征進(jìn)行提取，將量化后的幾何結(jié)構(gòu)特征應(yīng)用于深松鏟尖的設(shè)計，以期減小深松鏟作業(yè)阻力和能耗。依據(jù)不同特征曲面，設(shè)計了種仿生鏟尖試樣
摘要：為解決傳統(tǒng)深松機(jī)具觸土部件破土困難、耕作阻力大等問題，以砂魚蜥頭部為仿生原型，采用逆向工程技術(shù)對其特殊幾何特征進(jìn)行提取，將量化后的幾何結(jié)構(gòu)特征應(yīng)用于深松鏟尖的設(shè)計，以期減小深松鏟作業(yè)阻力和能耗。依據(jù)不同特征曲面，設(shè)計了種仿生鏟尖試樣，并與鑿型鏟尖試樣進(jìn)行性能對比。建立離散元模型，求解不同鏟尖垂直貫入土壤阻力;制備試樣，通過萬能試驗機(jī)進(jìn)行土壤垂直貫入實測試驗;將模擬結(jié)果和實測試驗進(jìn)行對比，結(jié)果表明離散元仿真分析和實測試驗結(jié)果吻合較好，最大貫入阻力的相對誤差為2.47%～3.91%。使用離散元法分析仿生鏟尖和鑿型鏟尖在土壤分層情況下的相互作用，證實仿生鏟尖比鑿型鏟尖具有更低的所需牽引力，其中仿生鏟尖減阻效果最好，相對于鑿型鏟尖，其減阻率為8.34%～19.31%。離散元分析揭示砂魚蜥頭部仿生曲線特殊的曲率變化對破土阻力有顯著影響，仿生鏟尖改變了土壤顆粒的流動方向，減小了鏟尖上方土壤擾動范圍，從而降低所需牽引力。在種作業(yè)速度和種耕作深度下阻力的仿真結(jié)果與土槽試驗結(jié)果進(jìn)行對比，誤差范圍為10.83%～17.06%。本研究結(jié)果為農(nóng)機(jī)具觸土部件的減阻增效提供了設(shè)計依據(jù)和理論基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：深松鏟;砂魚蜥;仿生;逆向工程;離散元;減阻
0引言
深松作為一項重要的保護(hù)性耕作技術(shù)，可有效改善土壤壓實問題，實現(xiàn)作物的增產(chǎn)增收，在世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。然而目前耕地作業(yè)的能量消耗大，占農(nóng)業(yè)田間作業(yè)的40%～60%[3-4],隨著耕深和耕速的增加，造成的深松工作阻力大、能量損失及作業(yè)效率低是深松領(lǐng)域迫切需要解決的問題[5]。目前，深松減阻方法主要包括電子滲透減阻、分層深松減阻、振動深松減阻和結(jié)構(gòu)優(yōu)化減阻等[6-7]，但分層和振動深松仍存在能量消耗大、機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題。許多研究證明，在結(jié)構(gòu)方面對深松鏟進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，即通過改變破土刃口曲線及鏟柄、鏟尖的幾何結(jié)構(gòu)，可減小耕作阻力和能量損失[8]。
近年來，仿生學(xué)不斷被有效應(yīng)用于農(nóng)機(jī)具的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。田鼠、野豬及黑熊等土壤挖掘動物的幾何特征被應(yīng)用于深松鏟的優(yōu)化設(shè)計，且具有良好的減阻效果[9-11]。砂魚蜥是一種來自撒哈拉沙漠地帶的特殊土壤動物，形態(tài)學(xué)和行為學(xué)的結(jié)合使其有效適應(yīng)了沙漠環(huán)境，可在沙土內(nèi)部實現(xiàn)快速運(yùn)動。AUMGARTNRT等[12]在砂魚蜥鱗片表面發(fā)現(xiàn)特殊的微刺結(jié)構(gòu)，使其具有較好的耐磨性，保護(hù)其體表在運(yùn)動過程中不受砂礫損傷。
ALADEN等[13]發(fā)現(xiàn)砂魚蜥主要由身體和尾巴提供大振幅正弦波擺動力，再通過其頭部瞬間破土，然后鉆進(jìn)沙丘內(nèi)部運(yùn)動。作為前進(jìn)過程中直接破土的部位，砂魚蜥頭部的特殊幾何特征是其具有優(yōu)異破土減阻性能從而在土壤內(nèi)部迅速運(yùn)動的重要因素。土壤耕作部件結(jié)構(gòu)直接影響農(nóng)機(jī)具的性能[14]，而鏟尖作為深松鏟的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)形狀對深松鏟作業(yè)過程中所需牽引力及土壤擾動行為有很大的影響，從而影響深松的作業(yè)效率與能源消耗。因此可基于土壤動物頭部，利用逆向工程技術(shù)對其幾何特征進(jìn)行提取，將提取的輪廓擬合曲線進(jìn)行參數(shù)化建模并設(shè)計仿生深松鏟鏟尖，以實現(xiàn)由生物模型到數(shù)學(xué)模型的轉(zhuǎn)化。
采用離散元法對觸土部件工作性能進(jìn)行評價和分析逐漸成為研究熱點(diǎn)，是一種用于模擬并分析散體介質(zhì)系統(tǒng)動力學(xué)行為的數(shù)值方法[15]。農(nóng)機(jī)具耕作過程的模擬仿真是一項復(fù)雜的工作，而離散元法從微觀的角度對仿真系統(tǒng)中的每個散體顆粒進(jìn)行分析，能夠很大程度上提高模擬準(zhǔn)確性，使仿真結(jié)果更加接近于實際情況[16]。本文基于仿生學(xué)原理，結(jié)合砂魚蜥頭部特殊的幾何結(jié)構(gòu)特征設(shè)計深松鏟鏟尖;通過土壤垂直貫入試驗，獲得的力-位移曲線及貫入阻力;將模擬與實測結(jié)果進(jìn)行對比，以驗證離散元方法的有效性;利用離散元法模擬土壤顆粒分別與仿生深松鏟和普通深松鏟相互作用后的力學(xué)行為及顆粒運(yùn)動情況，為深松作業(yè)的節(jié)能減阻提供理論基礎(chǔ)和設(shè)計依據(jù)。
1基于砂魚蜥頭部幾何結(jié)構(gòu)特征的仿生深松鏟設(shè)計
1.1砂魚蜥頭部三維點(diǎn)云提取和模型建立
本文選取的仿生原型為成年砂魚蜥(Scincuscincus)，體長18cm，頭部長2cm，寬2cm。通過逆向工程對砂魚蜥的頭部結(jié)構(gòu)進(jìn)行提取。為獲得清晰的砂魚蜥頭部特征曲面，用清水洗去砂魚蜥體表雜物，然后用無水乙醇消毒，并用蒸餾水清洗干凈，待干燥后在砂魚蜥身體表面均勻噴涂DPT型顯像劑，為了獲得完整頭部三維點(diǎn)云模型，將砂魚蜥身體用支架抬高并固定于自動轉(zhuǎn)臺，使用桌面級高精度物體白光3D掃描儀(WiibooxReeyee系列，南京威布三維科技有限公司)對砂魚蜥身體進(jìn)行360°掃描，獲取砂魚蜥原始三維點(diǎn)云模型。將掃描得到的原始點(diǎn)云模型文件導(dǎo)入到逆向工程軟件GeomagicWrap中，對點(diǎn)云模型進(jìn)行刪除噪聲點(diǎn)、平滑等一系列修復(fù)過程后獲得精確曲面。
2深松鏟作業(yè)過程離散元仿真
2.1接觸模型選擇
采用ORRISSEY等[19]提出的包含非線性彈塑性變形與粘結(jié)力的接觸模型，即PA模型，用于模擬深松鏟作業(yè)時土壤產(chǎn)生的彈塑性變形以及土壤之間由于水分的存在產(chǎn)生的粘結(jié)力。顆粒與深松鏟之間的接觸模型則采用EDEM中默認(rèn)的HertzMindlin(noslip)模型。
2.2深松鏟與土壤相互作用離散元模型建立
深松鏟主要由圓弧形鏟柄和鏟尖組成，圓弧形鏟柄高度760mm，寬度60mm，曲率半徑300mm，入土角為23°(即鏟尖安裝角度)。深松鏟鏟尖的寬度為60mm，長165mm，將組鏟尖安裝于深松鏟鏟柄，完成深松鏟的設(shè)計建模。種仿生鏟尖與鏟柄進(jìn)行配合并組裝成的仿生深松鏟。然后通過離散元對仿生鏟尖在實際土壤中的耕作效果和阻力情況進(jìn)行仿真分析。
2.3離散元仿真結(jié)果與分析
2.3.1深松鏟作業(yè)所需牽引力求解
在深松鏟進(jìn)入土槽后，鏟尖對犁底層土壤進(jìn)行剪切和擠壓，形成連續(xù)裂縫，斷裂以彈性變形的形式開始，在鏟柄切土刃的剪切作用、直鏟柄段的擠壓作用下進(jìn)一步破裂、松碎，土壤顆粒沿垂直于鏟尖及鏟柄圓弧段方向上及兩側(cè)抬升，對深松鏟產(chǎn)生反作用力(所需牽引力和所受垂直力)，接著進(jìn)入非彈性階段直至變形極限，即阻力趨于穩(wěn)定[24]。
而深松鏟后方的土壤則在重力的作用下，隨著深松鏟的前進(jìn)而下落，回填壟溝。在其中的穩(wěn)定波動階段為0.5～1.8s，不同的作業(yè)速度下穩(wěn)定波動階段時間不同。在作業(yè)速度為1m/s，耕深為300、350、400mm，以及耕深在300mm，速度為0.8、.0、1.2m/s的作業(yè)條件下， 與進(jìn)行對比仿真。采用穩(wěn)定波動階段的力平均值絕對值作為各組鏟尖在土壤中所需的牽引力和所受的垂直力。牽引力和垂直力是農(nóng)機(jī)具與土壤接觸的兩個重要參數(shù)，分別決定了工具的牽引功率需求和土壤滲透能力[10]。
3深松鏟減阻性能試驗
3.1深松鏟制備及土槽試驗平臺搭建
為了通過實踐檢驗仿生鏟尖設(shè)計的合理性，在昆明理工大學(xué)土槽實驗室內(nèi)進(jìn)行試驗。試驗土壤選用云南省耕作用的紅壤土，測得不同深度下土壤含水率和土壤密度平均值。
3.2土槽試驗與仿真結(jié)果對比
在種作業(yè)速度、種耕作深度下所需牽引力的仿真與試驗結(jié)果對比如表所示。在前進(jìn)速度一定時，深松鏟的牽引力會隨著耕作深度的增大而增大，仿生鏟尖相對于國標(biāo)鑿型鏟尖具有減阻效果，減阻率為5.74%～9.64%。深松鏟的牽引力在耕作深度一定時也會隨著前進(jìn)速度的增大而增大，仿生鏟尖的減阻率5.34%～8.85%。在仿生深松鏟中，的減阻效果最好，其次是和，減阻效果與在DEM中仿真結(jié)果一致，仿真與土槽試驗的誤差范圍在10.83%～17.06%。
3.3鏟尖垂直貫入土壤阻力實測結(jié)果及其與仿真相關(guān)性分析
3.3.1垂直貫入土壤實測試驗與仿真分析方法
為了更為細(xì)致地分析仿生鏟尖減阻機(jī)理，同時進(jìn)一步檢驗本研究所采用的離散元法仿真模型的準(zhǔn)確性，開展不同鏟尖土壤垂直貫入實測試驗與仿真。在仿生設(shè)計的基礎(chǔ)上，將模型調(diào)整為便于貫入試驗的試樣形式，寬度20mm，長度70mm。通過快速成型加工技術(shù)將個試件導(dǎo)入WiibooxMini系列3D打印機(jī)(南京威布三維科技有限公司)進(jìn)行制備，打印材料采用生物降解塑料聚乳酸(PLA)，打印精度0.1mm，其彈性模量為10MPa，彎曲模量為100～150MPa，密度為1.2610kg/m，拉伸強(qiáng)度為40～60MPa，加工溫度170～230℃。
由于鏟尖主要功能為打破犁底層，因此實測試驗所使用的土壤收集于耕作田地犁底層，將收集的土壤干燥后，挑揀出雜物，用半徑為mm的篩子篩分土壤顆粒，然后加入蒸餾水調(diào)節(jié)土壤含水率，測得土壤含水率為～18.5，將試驗用土壤填充入00mm00mm200mm的鐵質(zhì)土槽中，由于箱體的直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于仿生結(jié)構(gòu)的直徑，邊界效應(yīng)可以忽略不計[8]。為保證每次試驗土壤條件一致，每次貫入試驗后，疏松土壤，并用50N的壓土板進(jìn)行壓實。
使用P300系列電子萬能試驗機(jī)(濟(jì)南美特斯測試技術(shù)有限公司)測量土壤貫入阻力，樣件向下運(yùn)動速度為4mm/s，運(yùn)動行程為0mm，確保試樣完全入土。試驗因素為鏟尖試樣類型，試驗指標(biāo)為每個試樣在垂直入土?xí)r所受的貫入阻力測量值，每個試樣重復(fù)次試驗。垂直貫入土壤仿真同樣使用犁底層土壤顆粒參數(shù)，仿真中采用與實測試驗尺寸相同的土槽模型，土槽設(shè)置約束和兩個方向的邊界條件，在箱體的頂面即方向上不受任何約束。
設(shè)置顆粒半徑為mm，隨機(jī)生成顆粒31772個，待所有顆粒沉降穩(wěn)定后土槽建立完成。為確保仿真的精確度和求解效率，將參與計算的三維模型導(dǎo)入Workbench中，鏟尖試樣采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格大小設(shè)置1mm;土壤顆粒的網(wǎng)格尺寸按照仿真模擬中最小顆粒的半徑度量，設(shè)置為顆粒半徑的2.5倍，即7.5mm。然后，將得到的各模型網(wǎng)格以.msh格式導(dǎo)入到EDEM中。設(shè)置以4mm/s的恒定速度垂直入土，進(jìn)入深度為0mm，對幾種不同鏟尖模型進(jìn)行仿真。
農(nóng)業(yè)論文投稿刊物：農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報于1957年在北京正式創(chuàng)刊，發(fā)展至今，目前已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)工程類中文核心期刊。主要刊登文章范圍包括：農(nóng)業(yè)機(jī)械、農(nóng)業(yè)工程、農(nóng)用動力和能源、農(nóng)產(chǎn)品及食品加工機(jī)械、農(nóng)機(jī)化以及有關(guān)邊緣學(xué)科的基礎(chǔ)理論、設(shè)計制造、材料工藝、測試儀器與手段的研究成果及發(fā)展動向，反映學(xué)科最新研究成果和學(xué)術(shù)水平。
4.結(jié)論
(1)在EDEM中模擬實際土壤分層情況，將組深松鏟進(jìn)行仿真對比試驗，由于仿生曲線特殊的曲率特征，仿生鏟尖起到了較好的減阻效果，相對于鑿型鏟尖，其減阻率為8.34%～19.31%;并且隨著耕作深度和作業(yè)速度的增加，所需牽引力與垂直力也增大。
(2)在入土初期，仿生鏟尖表面土壤顆粒速度大于鑿型鏟尖，仿生鏟尖在前進(jìn)時更容易打破犁底層。組深松鏟所形成的擾動情況相似，而在鏟尖上方的土壤顆粒擾動范圍最大，的擾動范圍最小。仿生鏟尖改變了土壤顆粒的流動方向，也減少了對土壤的擾動。
(3)土槽試驗與仿真的結(jié)果表明，的減阻效果均最好，其次是和。仿真與試驗的誤差范圍在10.83%～17.06%，由此驗證離散元法對所需牽引力仿真的可行性，同時通過實踐檢驗了仿生鏟尖設(shè)計的合理性。
(4)貫入土壤阻力實測與仿真結(jié)果表明，實測與仿真中各組力位移曲線趨勢一致，與進(jìn)行比較，分析得到貫入阻力均為最小，其次是和;仿生鏟尖特殊幾何結(jié)構(gòu)可以減緩貫入阻力的增長速度，進(jìn)一步探索了仿生鏟尖的減阻機(jī)理;實測與仿真相關(guān)系數(shù)別為0.9942、0.9931、0.9899和0.9886，最大貫入阻力的相對誤差為2.47%～3.91%，表明離散元法對實際試驗有著較好的預(yù)測效果。
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作者：張智泓，甘帥匯，左國標(biāo)，佟金2,3
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