基于DEM的新型仿生深松铲的研制

深松技术作为保护性耕作的关键技术得到广泛应用,但深松机械耕作阻力大、磨损严重、耗能多等问题尚未得到很好的解决。本研究采用逆向工程的思路,借助结构仿生,设计了一种新型仿生深松铲,降低了耕作阻力,其主要研究内容及结论如下:由于夏威夷贝体表受砂石的磨损形式与土壤对深松铲的作用形式比较相似,基于这一启发,本文选取夏威夷贝为仿生原型,通过三维激光扫描获取贝壳外表面的棱纹结构信息进行深松铲表面结构的仿生设计,得到的特征曲面的数学拟合方程为:y（28）561.（10）101.sin[（x-668.）?/878.],拟合精度为0.99154。以拟合曲线振幅与半周期的比值为设计参数进行棱纹高度及棱纹与铲面接触部分宽度的设计,结合深松铲的几何参数,将仿生棱纹与“V”形棱纹对称轴方向夹角分别设计为30°、45°和60°,宽为20mm、30mm和40mm,棱纹个数分别为4个、5个和6个,共设计了14种基于夏威夷贝表面形貌的仿生棱纹深松铲。为横向比较仿生棱纹深松铲的减阻效果,本研究采用离散单元法（DEM）分析深松铲的耕作过程,从而选出减阻效果最优的型号,并分别从宏观与微观两个角度探究了仿生棱纹深松铲的减阻机理。在宏观上,分别以铲与土壤模型为研究对象,比较水平耕作阻力与土壤受力情况;在微观上,分别截取了横向与纵向土壤颗粒层,研究其颗粒层拱起角度与速度轨迹云图。研究结果表明:所设计的仿生深松铲的减阻效果均优于原光面深松铲,且棱纹倾斜角度45°、宽度30mm、数量为6的这种组合的仿生深松铲减阻效果最佳。采用田间试验对仿真结果进行验证,结果表明原光面深松铲的水平阻力最大,棱纹倾斜角度30°、宽度20mm、数量为4的这种组合的仿生深松铲水平阻力居中,棱纹倾斜角度45°、宽度30mm、数量为6的这种组合的仿生深松铲所受的水平阻力最小,且三种型号深松铲的水平阻力的仿真值总是略小于田间试验值,三型号的相对误差分别为6.32%、10.82%和12.46%,其误差均在允许范围内。三种深松铲试验前后土壤容重与坚实度的变化结果显示,深松铲在深松后的土壤容重分别降低了0.165g/cm3、0.196g/cm3、0.220g/cm3,坚实度分别降低了1118.1kPa、1125.9kPa、1135.3kPa,由此说明了三种型号的深松铲能够有效降低土壤的容重和紧实度,且棱纹倾斜角度45°、宽度30mm、数量为6的这种组合的仿生深松铲减粘降阻效果最佳,耕作质量良好,因而有很好的应用前景。本项研究工作为新型仿生深松铲的研制提供了理论依据,也为解决深松铲耕作阻力大、寿命短这一问题开拓了思路。