玉米根茬捡拾器的仿生设计与模拟分析

发布时间：2020-04-29 21:10

【摘要】：在经济全球化的今天，环境危机和能源危机一直制约着各个国家的发展，人们如果能够把能源利用的方向转向可再生资源的开发和利用，可以有效地延缓不可再生能源的消耗速度以及资源逐渐匮乏的趋势。玉米根茬作为可再生的生物质资源，对玉米根茬进行收获是近年来逐渐发展的一种根茬处理方式，其不仅能带来一定的经济效益和社会效益，而且能够给后期的耕种提供良好的土壤环境。但玉米根茬错综复杂的结构提高了收获的难度，因此需对玉米根茬收获技术及装置进行深入的研究。根茬捡拾作为玉米根茬收获的关键环节，捡拾机构合理的参数设计对根茬的捡拾效率和顺利向后输送至关重要。针对玉米根茬捡拾机构强度、刚度不足、功耗大、捡拾效果不佳等问题，本研究工作设计了一种新型的适用于玉米根茬收获机的捡拾器。本次设计主要有以下3个创新点：1、通过理论分析优化捡拾器的结构参数和运动参数；2、通过加入仿生元素提高捡拾器的捡拾效率和耐磨性能；3、利用有限元分析方法模拟捡拾器的捡拾工作过程，为实际的加工和田间试验提供参考。本文从研究根茬的基本物理特性入手，获得了根茬的田间分布情况、基本尺寸参数、垂直质量分布以及根茬的重心位置，为后续的理论分析提供了基础数据。在此基础上，对捡拾器进行了理论研究，建立了捡拾器与根茬的运动学模型，分析了捡拾器与根茬的碰撞过程，并对捡拾器的结构参数进行了优化。借助计算机辅助设计方法，利用Pro/Engineer软件创建了捡拾器各部件的三维实体模型并进行虚拟装配。为了分析所设计捡拾器的强度和刚度是否满足要求，探讨捡拾器在不同激励模态下的固有频率和振型，将三维模型导入有限元分析软件ANSYS Workbench中进行静力学分析和模态分析，获得了捡拾器的应力云图、变形云图以及其在前10阶模态下的固有频率和振型。本研究工作通过提取虾夷扇贝的体表棱纹几何结构，利用Origin软件对提取的数据点云进行曲线拟合，得到了形如正弦函数的拟合方程。为了分析虾夷扇贝体表棱纹结构的增摩、增附能力，利用ABS工程塑料加工出三种不同表面的试件：无仿生结构、等间距棱纹几何结构、无间距棱纹几何结构进行对比试验研究，试验结果表明虾夷扇贝体表的棱纹几何结构于土壤具有增摩、增附的能力，其为捡拾器的仿生表面设计提供了良好的仿生原型。利用Pro/Engineer软件在捡拾器捡拾齿工作面表面设计出两种不同间距的仿生棱纹几何结构，为了验证捡拾齿工作面表面的仿生棱纹几何结构有利于玉米根茬的捡拾工作，分析捡拾工作过程中捡拾器在不同的捡拾位置与玉米根茬的相互作用，利用ANSYS workbench软件的瞬态动力学模块对捡拾器与玉米根茬之间的三种不同摩擦因数和作用点位置下玉米根茬的变形及运动趋势进行对比研究，结果表明在捡拾齿的工作面表面设计仿生棱纹几何结构有利于玉米根茬的捡拾工作。本文对玉米根茬捡拾器进行了仿生设计和模拟分析，充分考虑了玉米根茬的基本物理特性和捡拾器的各项参数，对根茬捡拾部件和收获技术的研究和发展有着重要的意义。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S225

【参考文献】