金龟子形态分析及深松耕作部件仿生设计

深松作为保护性耕作的重要措施之一,耕作阻力大,能耗高是其主要特征。本论文从工程仿生学角度出发,通过对深松部件进行仿生设计和参数化分析,以降低深松部件的耕作阻力作为研究的重点。 首先对金龟子科动物体形特征参数进行分析,比较各科属体形参数的变化规律。并分析了以蜣螂为代表的金龟子科动物前足胫节各齿形态特征:基齿、中齿及端齿角度;前足胫节各齿顶端轮廓线及其外缘轮廓线的形状,属于二次抛物线形状,拟合精度较高,这种抛物线形状有利于动物挖掘土壤和减小阻力,为深松部件的仿生设计提供了依据。其次,对金龟子前足楔形爪趾与土壤相互作用进行受力分析,以二面楔和三面楔的工作原理为理论基础,将其应用到深松铲的受力分析,建立了深松铲牵引阻力的数学模型。并利用动态三轴仪对耕作土壤进行了三轴测试试验,得出了试验土壤的机械特性参数,以Drucker-prager 弹塑性本构关系为土壤材料模型,进行了深松部件与土壤相互作用的有限元分析。最后,基于金龟子前足胫节齿顶轮廓线与外缘轮廓线的抛物线形状,采用VC 程序设计语言并结合ANSYS 程序,建立了深松铲形状参数化程序,得出各种参数下的深松铲牵引阻力,以此对深松铲形状参数进行优化。 在上述研究的基础上对仿生深松部件进行田间测试,分析了影响深松牵引阻力的主次因素,并对实测值与参数化程序的计算值进行比较,结果表明,用参数化设计的方法来优化深松部件的仿生设计是可行的,而且采用UHMWPE 基复合材料对深松铲面进行处理能有效地减小深松铲的牵引阻力。 上述研究工作及其所取得的成果突破了传统深松部件形状设计研究思路,提出了参数化程序设计和优化的方法,为深松部件的设计提供了一定基础。