基于圆盘犁仿生设计对犁耕阻力影响的研究

本文包括以下三个部分:有限元模拟,仿生设计和室内试验 基于蜣螂的体表形貌,采用有限元分析软件Ansys 10.0进行了圆盘犁仿生设计的三维有限元模拟。在有限元分析中,以Drucker– Prager理想弹塑性模型描述土壤变形行为,该模型仅适用于很低犁耕速度条件下土壤变形的模拟。主要研究目标是发现不同仿生设计对减少犁耕阻力的影响,因此对土壤变形过程中圆盘犁的犁耕阻力进行了测量,文中的仿生设计是以具有凸包和凹坑的蜣螂触土体表作为仿生原型。 犁耕阻力测量试验在吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室的室内土槽进行,凸包单元的材料使用超高分子量聚乙烯(UHMWPE)。本试验目的是验证有限元分析结果,同时观察较高犁耕速度条件下,不同仿生设计对于犁耕阻力的影响。 有限元分析与室内土槽试验结果一致,误差小于等于10%,满足精确性要求。有限元分析和室内试验结果均表明,仿生圆盘犁8在降低犁耕阻力方面是最有效的,并且仿生单元本身(无论是凹坑还是凸包)对于降低犁耕阻力也是至关重要的,其中凸包单元降低犁耕阻力最明显。仿生圆盘犁8的尺寸为:单元基部直径20mm,凸包高度3mm,单元密度30%。 综上所述,仿生非光滑设计思想能够应用于圆盘犁以降低犁耕阻力。