基于螳螂前足结构特征的仿生切茬刀片设计
发布时间：2021-06-07 10:08
在中国北方地区，农民习惯把残留在地表的作物根茬挖掘出来并就地焚烧，这种根茬处理方式不但费时费力，而且严重污染环境。因此，研究设计一种简单高效的根茬切割工具不仅能够提高农业生产的作业效率也满足了保护生态环境方面的需求。本文基于对螳螂前足结构特征的研究，设计了几种仿生切茬刀片，并利用有限元建模方法和实际试验测量来分析其切茬性能。长期以来，土壤耕作作为农业工程领域中的热点，一直备受专家学者的关注。实质上，任何一个耕种的操作过程都可以视为工件切削和粉碎土壤的过程，而耕作阻力的大小主要取决于耕作部件的形状、土壤质地与作业方式。在实际研究中，几乎所有用于田间作业的土壤切削工具的设计和改良都是依靠大量的田间试验经反复摸索得到的。解决合理化建模的问题即可减少甚至取代繁琐耗时、花费高昂的田间试验。而有限元分析方法在建模分析这一方面展现出了显著的优势，只要能够选择出一个合适的本构关系来描述土壤材料，并对某一耕作工具的形状和非线性接触关系建立计算机模型，就可以对该耕作部件的作业过程进行动态仿真模拟。本工作建立了一个计算机预测模型，通过有限元分析方法计算分析旋耕作业中常用的切土部件—L型直刀的工作阻力。将旋转...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：148 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
旋耕刀、圆犁刀和L型直刀
图 1.3 旋耕刀、圆犁刀和 L 型直刀旋耕刀、圆犁刀，虽然能起到一定的除茬作用，但其除茬率较低，功耗稍大；而 型碎茬刀主要是依靠高速旋转以打击粉碎根茬为主要方式，切割为辅助形式，因此刀刃的锋利程度并无太高要求[28]，目前国内的除茬作业普遍采用这种单面刀刃的 L碎茬刀。刀具多由厚 6~7mm 的 65 Mn 钢制成，刀辊转速多为 380r/min 或以上，转速低会对作业质量造成不利影响。圆盘耙与圆盘犁的形状近似，是一个凹面的圆盘。在工作中，圆盘与前进方向呈定角度滚动，圆盘前进时，前沿的刃口切入土壤，后方的凹面会带着土垡朝着后上向运动，并令土垡破碎翻转。圆盘部件的刃口切割能力强，在多草根的土中不容易堆堵塞。并且由于圆盘是滚动前进，受到的阻力较小。缺点是圆盘的重量比较大，便做成悬挂式。图 1.4 为两种常见的圆盘形式[26,27]。
图 1.5 缺口圆盘刀的根茬切断原理1.3有限元方法在农业生产上的应用有限元方法是一项功能非常强大的数值技术，可用来解决诸多领域内复杂的工程问题，如汽车车身的结构设计[29-32]、齿轮传动的接触分析[33-35]、土木工程中的变形问题[36-39]，甚至于生物体的力学行为与医学方面的分析[40,47]。有限元方法提供了一种处理复杂事物相关联问题的可能性，这种求解的可能性是一般解析方法无法实现的[48]。并且，有限元方法特别善于处理包含几何和材料的非线性问题即描述物理的或者生物的非线性现象的情况。而大多数的土壤与机具及土壤与作物之间的接触问题都会涉及到材料和几何的非线性，有限元方法的出现为分析和解决农业生产中的土壤的变形问题以及相关的耕作接触问题提供了新的解决方案，且能够通过计算机模拟来代替复杂耗时的实际试验。近几十年，随着计算机硬件性能的飞速发展与运算速度的不断提高，利用有限元方法分析土壤变形问题的研究已广泛在各国学者中开展起来[49]：
【参考文献】：
期刊论文
[1]吉林省玉米秸秆资源量及综合利用情况分析[J]. 安载学,穆楠,李万良. 安徽农业科学. 2012(02)
[2]推进作物秸秆综合利用的六点建议[J]. 王延宏,张立才. 农机质量与监督. 2009(01)
[3]吉林省秸秆综合利用技术现状与发展前景[J]. 孙立军,魏广军,王广君. 农业机械. 2008(33)
[4]正反转旋耕灭茬机刀片的功耗分析[J]. 申屠留芳,邵鹏. 农机化研究. 2007(11)
[5]农作物秸秆资源利用浅析[J]. 管小冬. 农业工程学报. 2006(S1)
[6]模拟退火算法机理研究[J]. 陈华根,吴健生,王家林,陈冰. 同济大学学报(自然科学版). 2004(06)
[7]Significance and Progress of Bionics[J]. Yongxiang Lu Chinese Academy of Sciences, Beijing 100864, P.R. China. Journal of Bionics Engineering. 2004(01)
[8]吉林省农作物秸秆资源的现状及综合利用[J]. 朴香兰. 延边大学农学学报. 2003(01)
[9]中国农作物秸秆资源及其利用现状[J]. 韩鲁佳,闫巧娟,刘向阳,胡金有. 农业工程学报. 2002(03)
[10]非光滑仿生曲面形推土铲推土阻力试验研究[J]. 韩志武,崔占荣,任露泉,李建桥,佟金. 农业机械学报. 2002(02)
博士论文
[1]仿生蜘蛛振动感知的硅微加速度传感器研究[D]. 汪延成.浙江大学 2010
[2]旋耕—碎茬仿生刀片[D]. 汲文峰.吉林大学 2010
[3]农作物秸秆资源综合利用的战略研究[D]. 陈琳.南京林业大学 2007
硕士论文
[1]农作物秸秆综合利用机械化技术推广研究[D]. 相俊红.中国农业大学 2005
[2]开沟器仿生设计及其试验分析[D]. 杜卫刚.吉林大学 2004
本文编号：3216383
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：148 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
旋耕刀、圆犁刀和L型直刀
图 1.3 旋耕刀、圆犁刀和 L 型直刀旋耕刀、圆犁刀，虽然能起到一定的除茬作用，但其除茬率较低，功耗稍大；而 型碎茬刀主要是依靠高速旋转以打击粉碎根茬为主要方式，切割为辅助形式，因此刀刃的锋利程度并无太高要求[28]，目前国内的除茬作业普遍采用这种单面刀刃的 L碎茬刀。刀具多由厚 6~7mm 的 65 Mn 钢制成，刀辊转速多为 380r/min 或以上，转速低会对作业质量造成不利影响。圆盘耙与圆盘犁的形状近似，是一个凹面的圆盘。在工作中，圆盘与前进方向呈定角度滚动，圆盘前进时，前沿的刃口切入土壤，后方的凹面会带着土垡朝着后上向运动，并令土垡破碎翻转。圆盘部件的刃口切割能力强，在多草根的土中不容易堆堵塞。并且由于圆盘是滚动前进，受到的阻力较小。缺点是圆盘的重量比较大，便做成悬挂式。图 1.4 为两种常见的圆盘形式[26,27]。
图 1.5 缺口圆盘刀的根茬切断原理1.3有限元方法在农业生产上的应用有限元方法是一项功能非常强大的数值技术，可用来解决诸多领域内复杂的工程问题，如汽车车身的结构设计[29-32]、齿轮传动的接触分析[33-35]、土木工程中的变形问题[36-39]，甚至于生物体的力学行为与医学方面的分析[40,47]。有限元方法提供了一种处理复杂事物相关联问题的可能性，这种求解的可能性是一般解析方法无法实现的[48]。并且，有限元方法特别善于处理包含几何和材料的非线性问题即描述物理的或者生物的非线性现象的情况。而大多数的土壤与机具及土壤与作物之间的接触问题都会涉及到材料和几何的非线性，有限元方法的出现为分析和解决农业生产中的土壤的变形问题以及相关的耕作接触问题提供了新的解决方案，且能够通过计算机模拟来代替复杂耗时的实际试验。近几十年，随着计算机硬件性能的飞速发展与运算速度的不断提高，利用有限元方法分析土壤变形问题的研究已广泛在各国学者中开展起来[49]：
【参考文献】：
期刊论文
[1]吉林省玉米秸秆资源量及综合利用情况分析[J]. 安载学,穆楠,李万良. 安徽农业科学. 2012(02)
[2]推进作物秸秆综合利用的六点建议[J]. 王延宏,张立才. 农机质量与监督. 2009(01)
[3]吉林省秸秆综合利用技术现状与发展前景[J]. 孙立军,魏广军,王广君. 农业机械. 2008(33)
[4]正反转旋耕灭茬机刀片的功耗分析[J]. 申屠留芳,邵鹏. 农机化研究. 2007(11)
[5]农作物秸秆资源利用浅析[J]. 管小冬. 农业工程学报. 2006(S1)
[6]模拟退火算法机理研究[J]. 陈华根,吴健生,王家林,陈冰. 同济大学学报(自然科学版). 2004(06)
[7]Significance and Progress of Bionics[J]. Yongxiang Lu Chinese Academy of Sciences, Beijing 100864, P.R. China. Journal of Bionics Engineering. 2004(01)
[8]吉林省农作物秸秆资源的现状及综合利用[J]. 朴香兰. 延边大学农学学报. 2003(01)
[9]中国农作物秸秆资源及其利用现状[J]. 韩鲁佳,闫巧娟,刘向阳,胡金有. 农业工程学报. 2002(03)
[10]非光滑仿生曲面形推土铲推土阻力试验研究[J]. 韩志武,崔占荣,任露泉,李建桥,佟金. 农业机械学报. 2002(02)
博士论文
[1]仿生蜘蛛振动感知的硅微加速度传感器研究[D]. 汪延成.浙江大学 2010
[2]旋耕—碎茬仿生刀片[D]. 汲文峰.吉林大学 2010
[3]农作物秸秆资源综合利用的战略研究[D]. 陈琳.南京林业大学 2007
硕士论文
[1]农作物秸秆综合利用机械化技术推广研究[D]. 相俊红.中国农业大学 2005
[2]开沟器仿生设计及其试验分析[D]. 杜卫刚.吉林大学 2004
本文编号：3216383
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