基于鼢鼠爪趾几何结构特征的苗间仿生除草铲设计

发布时间：2017-04-14 03:17

  本文关键词：基于鼢鼠爪趾几何结构特征的苗间仿生除草铲设计，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：苗间智能除草机械能很好的满足苗间除草的要求,而末端执行机构是苗间智能除草机械的重要组成部分,它直接影响除草机械的除草效果。目前,我国末端执行机构的类型较少,并且有关苗间智能除草机械的研究主要集中在自动控制、导航技术和图像采集及处理等,有关末端执行机构的研究比较缺乏。因此,设计简单高效的末端执行机构对丰富末端执行机构和推动苗间除草机械的发展有着重大的意义。土壤洞穴动物经过亿万年的进化,很好的适应了周围环境,优化出了优良的几何结构和生物力学特性,为仿生技术的发展提供了很好的效仿对象。鼢鼠是典型的土壤洞穴动物,常年生活在地下,具有高效的挖掘能力,其挖掘足的爪趾几何结构为农业机械触土部件的设计和优化提供了很好的仿效对象。本研究对鼢鼠前爪爪趾的几何结构进行了观察和分析。结果表明,鼢鼠前爪爪趾粗大有力,结构独特,选择最为粗壮的第3趾作为后续工作的研究对象。利用逆向工程技术提取了鼢鼠前爪第3趾的点云数据,并利用逆向工程软件基于点—线—面造型技术对鼢鼠爪趾进行曲面重构;截取鼢鼠爪趾轮廓特征曲线点云数据并进行曲线拟合,得到了拟合曲线方程,经过对比拟合曲线的精度,选择高斯函数作为纵向轮廓特征曲线的方程,多项式函数作为横向轮廓特征曲线的方程,并分别对各曲线的二阶导数和曲率进行了量化分析。基于鼢鼠爪趾轮廓特征曲线方程设计了一种用于苗间除草机械的仿生除草铲和用于作对比试验的圆弧型除草铲,并设计了与除草铲配套的其他零部件。在室内土槽利用搭建的除草试验平台对前进速度分别为200 mm/s、400 mm/s、600 mm/s和800mm/s,除草铲入土角分别为0°、5°、10°、15°和20°时的牵引阻力进行了测定和分析。结果表明,两种除草铲的牵引阻力随着前进速度和入土角度的增加而增大;两种除草铲在高速和较大入土角状态下的牵引阻力明显大于低速和较小入土角的牵引阻力;两种除草铲的牵引阻力在前进速度为200 mm/s,入土角为0°时达到最小值;前进速度800 mm/s,入土角为15°时牵引阻力达到最大值;仿生除草铲的牵引阻力在低速和较小入土角时小于圆弧型除草铲的牵引阻力,在高速和较大入土角时大于圆弧型除草铲的牵引阻力,仿生除草铲适合应用于低速条件下的除草作业,而圆弧型除草铲适合应用于高速条件下的除草作业。在有限元分析软件ABAQUS中分别建立两种除草铲和土壤的三维模型,对除草铲在入土角为0°和15°,前进速度为200 mm/s和800 mm/s时与土壤的相互作用进行模拟分析。结果表明,圆弧型除草铲和仿生除草铲切入土壤的初始时刻和终止时刻土壤所产生的Mises等效应力变化幅度不大。除草铲入土角为15°时对土壤造成的扰动和破坏要大于入土角为0°时对土壤造成的扰动和破坏。圆弧型除草铲在切入速度200 mm/s,入土角为0°和15°时的反作用力均值分别为71.22 N和86.35 N;在切入速度800 mm/s,入土角为0°和15°时的反作用力均值分别为105.48 N和122.67 N。仿生除草铲在切入速度200 mm/s,入土角为0°和15°时的反作用力均值分别为63.71 N和74.00 N;在切入速度800 mm/s,入土角为0°和15°时的反作用力均值分别为78.09 N和124.16 N。对比室内土槽试验得到的牵引阻力,有限元分析方法得出的除草铲切入土壤得出的反作用力的变化规律与之相同,从而验证了室内土槽试验的准确性。本研究基于东北鼢鼠前爪第3趾的轮廓曲线方程设计了一种适用于苗间除草机械的苗间仿生除草铲。为苗间除草机械整机的研制奠定了基础,也为国内苗间除草机械的研制提供新的思路和方法,对苗间除草技术的发展具有参考价值。
【关键词】：苗间除草 除草铲 土壤动物 鼢鼠 逆向工程技术 有限元方法
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S224.1
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-13
• 第1章 绪论13-33
• 1.1 研究的目的和意义13-14
• 1.2 国内外株间机械除草技术的研究现状14-27
• 1.2.1 国外株间机械除草技术的研究现状15-21
• 1.2.2 国内株间机械除草技术的研究现状21-25
• 1.2.3 株间除草机械末端执行器的类型25-27
• 1.3 仿生学在农业机械设计中的应用27-29
• 1.4 鼢鼠的研究现状29-31
• 1.5 本论文主要的研究内容31-33
• 第2章 鼢鼠挖掘足爪趾结构特征与纳米力学特性分析33-55
• 2.1 研究对象的捕捉33-34
• 2.2 鼢鼠生活环境土壤参数的测量34-38
• 2.2.1 土壤含水率测定34-35
• 2.2.2 土壤颗粒尺寸分布测定35-38
• 2.3 鼢鼠挖掘活动的观察38-41
• 2.4 挖掘足爪趾结构分析41-45
• 2.4.1 试验仪器和用品41
• 2.4.2 制备试验样品41
• 2.4.3 试验结果与分析41-45
• 2.5 爪趾纳米力学特性45-52
• 2.5.1 爪趾截面微观结构45-47
• 2.5.2 鼢鼠爪趾纳米力学特性分析47-52
• 2.6 本章小结52-55
• 第3章 鼢鼠爪趾数据采集与特征曲线分析55-87
• 3.1 逆向工程技术55-58
• 3.1.1 逆向工程的概念55-56
• 3.1.2 逆向工程的关键技术56-57
• 3.1.3 逆向工程技术常用软件57-58
• 3.2 试验仪器与试验样品制备58-61
• 3.2.1 试验仪器58-60
• 3.2.2 试验样品制备60-61
• 3.2.3 鼢鼠爪趾点云获取61
• 3.3 鼢鼠爪趾点云处理61-74
• 3.3.1 鼢鼠爪趾点云数据预处理61-62
• 3.3.2 数据点群平滑处理62-63
• 3.3.3 点云的精简处理63-66
• 3.3.4 爪趾点云数据的对齐与拼接66-67
• 3.3.5 鼢鼠爪趾外形几何模型重构67-69
• 3.3.6 鼢鼠爪趾重构曲面分析69-74
• 3.3.7 鼢鼠爪趾三维模型重构74
• 3.4 鼢鼠爪趾体表特征曲线分析74-86
• 3.4.1 曲线拟合的数学基础74-77
• 3.4.2 鼢鼠爪趾纵向轮廓特征曲线分析77-81
• 3.4.3 鼢鼠爪趾横向轮廓特征曲线分析81-86
• 3.5 本章小结86-87
• 第4章 苗间除草铲的设计与加工87-99
• 4.1 仿生除草铲的设计思路87-88
• 4.2 除草铲的主要参数88-95
• 4.2.1 仿生除草铲的主要参数88-89
• 4.2.2 除草铲参数的确定89-94
• 4.2.3 除草铲的加工94-95
• 4.3 除草铲试验配套零部件的设计与加工95-97
• 4.4 本章小结97-99
• 第5章 除草铲土槽牵引试验99-109
• 5.1 试验设备与仪器99-101
• 5.2 试验方案与安排101-103
• 5.3 试验结果与分析103-108
• 5.4 本章小结108-109
• 第6章 除草铲与土壤相互作用的有限元分析109-127
• 6.1 有限元方法及ABAQUS软件109-110
• 6.2 有限元模型的建立110-119
• 6.2.1 土壤三维模型的建立110-117
• 6.2.2 除草铲三维模型的导入117-118
• 6.2.3 约束条件与加载方式118-119
• 6.3 有限元分析结果与讨论119-125
• 6.3.1 Mises应力云图119-123
• 6.3.2 反作用力123-125
• 6.4 本章小结125-127
• 第7章 结论与展望127-131
• 7.1 结论127-128
• 7.2 展望128-131
• 参考文献131-141
• 攻读学位期间发表的学术论文及参加科研项目情况141-143
• 致谢143-145
• 导师及作者简介145-159

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