仿生设计与分析切削刀片使用有限元方法

文摘

螳螂是昆虫世界中最有效的食肉动物之一,两个强大的工具,两个锋利的和强大的前腿。其股骨和胫骨都是带着强烈的双排刺沿着后边缘可以牢牢把握猎物,当股骨和胫骨折在捕捉彼此。这些刺是如此尖锐,他们可以轻松快速地切入的猎物。螳螂的前腿的几何特性,特别是其胫骨,具有重要参考价值的设计农业soil-cutting工具。从这些刺的概要文件和安排学习,切割刀片与齿形的设计工作。两种不同尺寸的牙齿结构和安排在最前沿的设计使用。传统的平滑边缘叶片与叶片仿生serrate-edge用来比较。比较传统叶片的工作效率和仿生叶片,3 d有限元仿真分析和实验测量都在工作。仿真和实验结果表明,仿生serrate-edge刀片切削效率表现出更好的性能。

1。介绍

刀具的性能主要取决于切削刀片的几何,土壤力学性能、土壤质地、操作条件(如前进速度和切削深度)1,2]。理论分析和实验方法实现充分有效的设计应该利用soil-cutting工具破坏土壤和挖掘茬口的领域。这些刀具应该节能,能够减少土壤和导致明年适合作物生长的土壤条件。一般来说,在耕作性能测试和现场测试工具的设计和开发是耗时和昂贵的。soil-implement互动的准确建模的基本关键是耕作工具的优化设计和可能省略需要大量昂贵的实地测试,缩短研究时间(1]。有限元法(FEM)是一个功能强大的数字技术和非线性的行为与土壤耕作工具交互可以建模如果选择一个合适的本构定律在有限元分析(FEA)。此外,有限元法是善于分析复杂的工程问题,特别是对于动态系统与大变形和失败3,4]。它已经被许多研究人员5- - - - - -9]分析问题与土力学和土壤和耕作工具之间的互动。

仿生方法可以转移生物工程技术解决方案和已经开发成一个有效的生物原理和方法应用到工程(10]。一些研究人员发现,仿生设计可以提高叶片的工作效率。霁等人设计了一个旋转叶片通过模仿前面的爪趾摩尔(11]。任等人做了一个实验调查soil-burrowing动物的身体表面,设计了一些仿生弯曲soil-cutting叶片减少土壤粘附和摩擦12]。迈耶斯等人提出了一个剪刀设计基于能力的食人鱼的牙齿穿过肉(13]。作为一个有效的捕食者在昆虫世界,螳螂有一对强大的工具,两个锋利的和强大的前腿。股骨和胫骨的前腿都是带着强烈的双排刺沿着后边缘,从而牢牢把握猎物,当股骨和胫骨折在捕获(14]。此外,胫骨可以快速有效地减少了猎物的身体,因为夏普和硬sawteeth胫骨棘有相同的效应,从而增加接触压力和减少权力。可想而知,这些胫骨棘的轮廓和形状将有利于仿生刀具的设计。

这项工作的目的是模拟的几何胫骨棘突螳螂(螳螂宗教性林奈)设计一种新型的碎秸刀具。有限元分析的方法来比较仿生刀片的切削力和传统的平滑边缘刀片。土壤被建模为一个显示材料硬化弹塑性材料,和线性形式的扩展使用Drucker-Prager屈服准则。土壤从三轴力学性能参数测试。同时,专业实验室设备设计和建造来衡量这些刀片的切削力。

2。材料和方法

2.1。螳螂前腿的几何特征

只螳螂用于这项工作,被发现在中国东北的农村,属于的物种螳螂宗教性林奈。至于形态学测量,25岁成人只螳螂被蒸馏水清洗,然后用乙醚麻醉。在麻醉阶段,这只螳螂被显微镜观察和拍摄(STJ-30,奥林巴斯有限公司)。锋利的和强大的前腿配备双排强有力的刺在他们后边缘,如图1。这些螳螂的长度范围是45 ~ 65毫米,和胫骨和股骨的总长度从16.5毫米到24.7毫米。胫骨棘是不同的大小和有着密切的安排,和刺的高度大约是10 ~ 30%的胫骨的宽度,使它看起来像一把锋利的。

2.2。仿生刀片的设计

传统上,切割设备根茎作物收割机械的工作原理的基础上设计楔(15]。考虑到楔形工具简单的几何结构,很容易制造,一系列的切削刀片的设计工作。传统叶片首先砍碎秸,复杂的土壤和碎秸沿着叶片端面,然后倒在地上。传统的平滑边缘叶片不仅可以减少茬口还打破脊;它扮演着一个重要的角色在土壤准备工作。

根据研究螳螂的前腿,胫骨的几何结构在猎物功能中起着重要作用。夏普和硬胫骨棘sawteeth同样的效果,可增加接触压力和减少腿部的力量。因此,胫骨可以快速有效地减少了猎物的身体。螳螂的几何特性可以采用胫骨刀片的设计,因为切割过程中也有类似的胫骨的切割方式。传统的平滑边缘没有仿生叶片几何元素被用作参考叶片,如图2(一个)。从胫骨棘的安排,学习两种不同尺寸的sawteeth几何元素设计在传统刀片的切削刃。根据脊柱高度的测量,发现10%的脊柱高度范围-30%的胫骨宽度适合切割。然后,一些叶片不同的牙齿高度(3毫米、5毫米,7毫米,10毫米)在仿真软件建模参数研究早期,它证明了叶片与牙齿3毫米和5毫米的高度代表阻力减少。图2(一个)显示了传统叶片平坦的前沿,和数字2 (b),2 (c),2 (d)仿生serrate-edge叶片的几何结构。有两种尺寸的齿形四棱锥叶片尖端的B,大齿的高度是5毫米,小牙是3毫米。大牙齿和小牙齿被添加在前沿的交错模式,和信封的牙齿仍然是一条直线。叶片C, B不同叶片,只有小的牙齿在其前沿。类似于叶片B,叶片D备用安排或大或小的牙齿;然而,包络线的牙齿上并不是一条直线。

2.3。有限元模型描述

在这部作品中,有限元模拟进行了有限元分析,分析和比较传统的刀片和仿生叶片的工作性能。

2.3.1。土壤模型

土壤是一个复杂的材料组成的三个阶段,即固体、液体和气体的阶段,在不同的物理、生物和化学过程控制土壤力学行为(16]。外部载荷作用下,土壤将显示与几何非线性弹塑性行为2),而塑性理论适用于土力学是好的评价在文学17,18]。此外,许多产量标准提出了土壤本构模型定义通常当最大应力状态或最大应变能达到一个临界值。莫尔-库仑、剑桥和Drucker-Prager收益率标准显示土力学的重要应用。

在这个工作中,农业土壤被认为是一种弹塑性材料与Drucker-Prager标准。Drucker-Prager屈服函数的标准可能被描述为19] 在哪里,材料参数;是指的是压应力,可以写成第一次压力不变,: 在哪里有效应力,它可能与二阶导数压力不变,: 在哪里剪切应力和是压应力。

从(3),Drucker-Prager模型可以解释土壤体积和剪切行为。

为了真实地模拟切削力,土壤样本来自农村。在三轴压缩试验中,四个土壤样本使用三轴压缩测试,在实验室的标本形状是缸大小Φ39.1 cm×80厘米。剪切应变率为0.4毫米/分钟,围压加载100 kPa, 200 kPa,和300 kPa,先后。所需的参数在此有限元模型体积密度();杨氏模量();泊松比();摩擦角();三轴压缩屈服应力三轴张力的比率();扩张角()塑性流动和soil-metal摩擦系数。这些值是5场的平均样本和所有的数据如表所示1。硬化行为建模具有重要意义在农业土壤,由于土壤将经历压缩加载下之前失败。数据与应力-应变硬化曲线(图3)从三轴压缩试验获得。等效塑性应变是必需的计算机模型可以表示为20.] 在哪里是总应变(弹性应变和塑性应变)和屈服应力。

2.3.2。模型尺寸和铁网

并给出了三维模型尺寸如图4和表2,““身体的长度是土壤,“宽度”,“是高”,“是切削深度,””是楔角。刀片被假定为刚体的参考点(RP),位于叶片背面的中间位置。模拟叶片作为“刚体”这项工作可能确保反作用力的计算在整个叶片收敛在一个单一的参考点。

在有限元分析中,材料的叶片被定义为钢铁C45。叶片被分成三维8-node线性砖连续元素(C3D8R)和土壤分为10-node修改二次四面体元素(C3D10M)。节点的数量和元素对土壤的身体是143650年和102011年,分别。

2.3.3。边界和负载条件下

为了适当的动态交互模型的土壤和刀片,各种边界和加载条件。

底部的土壤是完全限制在所有六个平移和转动自由度。其他表面的土壤没有限制。刚性叶片与一个常数平移速度限制。转发500毫米/秒的速度在这个模型中,使用不同的实验(速度之间的差异在仿真和测试部分中解释3.2)。重力作用被考虑应用重力加速度作为负载在所有步骤。一般交互功能是用于显式模块来描述叶片和土壤之间的相互作用关系。接触表面之间的相互作用由两部分构成:切向行为和正常行为。切向行为中使用这个模型的参数是叶片和土壤之间的摩擦系数。这个系数是衡量使用土壤粘附测量仪器,从早期的研究论文,引用和被选为0.42的系数7]。常用的“硬”联系采用描述的正常行为。

2.4。实验测量

为了研究前沿形状soil-cutting力的影响,改革后的实验装置是用于执行soil-cutting测试。提出了一种测试装置的原理图如图5。整个装置由钢框架支持。土壤本身高1米和0.5米×0.5米的长度和宽度被低于叶片。一束可以沿导轨上下移动吗。通过应用一个固定的速度,使叶片向下移动,切成土壤,一个力传感器安装在梁将在线记录的测试曲线力与时间和力和位移。活动梁的速度范围是1毫米/秒和8.5毫米/秒之间。三个垂直速度(毫米/秒,毫米/秒mm / s)和一个常数soil-cutting位移(50毫米)采用这项工作。

实验土壤在土壤本来自农业领域,相同的仿真模型。基于土壤测试方法的标准(中国土壤测试方法、标准GB / t50123 - 1999),农业土壤是典型的细粒度的壤土,土壤颗粒分布是列在表中3。样本取自三个复制块领域,每个情节都10×5米。所有土壤样品来自种植层和从一个100毫米的深度。土壤硬度的测量圆锥贯入仪,和圆锥指数的平均价值为0.55 MPa。每个叶片5重复测试,每个测试开始后将叶片所需的高度,和土壤的硬度就会按0.55 MPa。

3所示。结果与讨论

3.1。仿真结果

表4描述初始和最终的仿真结果soil-cutting时刻的叶片。叶片逐渐减少土壤和做了一些扭曲的土壤元素随着时间的增加。可以看出,土压力的大小在初始模型叶片切削力矩略高于仿生叶片,和土壤应力近似仿生的最后时刻。土压力变化表明叶片逐渐导致一些土壤元素变形和失败。因此,四个叶片类似的阻力在整个切削过程。

在这工作,反应力的参考点(RP)可以代表整个刀片的切削力。RP的反作用力设在方向(RF3)是本研究的重点,如图6。它可以迅速发现RF3增加一开始(0 - 5毫米);然后它逐渐减少,有一些波动在初始切割阶段(做毫米)。20毫米后,切削过程趋向于平稳的;因此所有RF3曲线逐渐上升然后下降平整。仿生serrate-edge叶片之间的切割过程的差异和传统平滑边缘叶没有仿生结构的接触面积的尖端仿生叶片对土壤比平滑边缘的小叶片a .仿生叶片的阻力将低于刀片切削过程的初始阶段。此外,RF3叶片B, C, D高于叶片(鹿毫米)。后牙齿表面仿生叶片完全削减到土壤和推进顺利,土壤的牙齿逐渐失败和反应力不断下降,然后水平。叶片的反作用力与仿生的前沿时几乎完全切成土壤(10到25毫米)。更重要的是,射频曲线下的面积显示的工作所需的作用力刀片切割成土壤和移动。根据积分计算,刀片的切削工作C显示3480 mJ的最小值,它是低于4.3%的传统叶片叶片D (3590 mJ)。叶片B在所有这些叶片工作价值最高。 The explanation for the larger cutting work of blade B could be that the platform beneath small teeth had a certain thickness which would increase the contact area between cutting edge and soil, and the resistance force rises as well.

3.2。实验结果

图7演示的最大切削力4叶片在不同的速度,在误差显示相应的标准差。它可以发现,切削速度对切削力的影响并不显著。然而,不同的切削刃形状对soil-cutting力有明显的影响。土壤质地不均匀,因为它是来自自然的领域,从而导致一些实验错误。然而,刀片的切削力远高于其他叶片仿生齿结构在大多数情况下。叶片D和C有类似的力和叶片D显示了一个相对较低的价值。在某种程度上,测量结果与仿真结果是一致的。此外,一个测试采用做显著性检验,结果测试刀片类型和切削速度之间的相关性表总结了切削力5。显著值低于0.05表明叶片类型对切削力有很大影响。相反,切割速度没有显著的影响。这个结果与之前的研究一致(1]。实际上,Bekker宣称,下沉的速度测试是微不足道的,直到率是740毫米/秒(21]。

soil-cutting过程中,叶片切成土壤的均匀速度,与增加位移和垂直力上升。因此,力与位移曲线可以被记录,曲线下的面积代表应用垂直力的工作叶片所需的旅行一定距离(50毫米)。切割的作品4叶片(图进行计算和对比8)。力测量结果相似,切削速度对工作没有明显的影响。最高削减工作是叶片和叶片的最低工作是B d叶片仿生叶片中具有更大的价值,在某些情况下高于叶片。的结果测试还显示叶片类型有显著影响工作和切割速度没有(表6)。

在我们早期的研究中,设计了仿生圆盘通过学习鼢鼠的爪脚趾的几何结构22]。虽然仿真分析表明,仿生圆盘进行结构强度和soil-cutting功能比传统的圆盘,仿生圆盘的旋转切割将取决于拖拉机功率,消耗了大量的能量。然而,仿生sawteeth叶片设计的工作方式在当前工作水平降低与拖拉机前进速度,这可以极大地减少能量。

4所示。结论

这项工作检查螳螂的前腿的几何结构,和胫骨的几何结构特点是利用改革设计的碎秸刀片。学习胫骨棘的安排,两种不同尺寸sawteeth几何元素的设计,在传统刀片的切削刃。基于仿真和实验结果,可以得出结论,仿生serrate-edge叶片有更好的性能比传统的平滑边缘叶片在改善soil-cutting效率。从有限元分析和实际测量,可以获得一些评论如下:(1)三维动态有限元模型分析显示土压力的大小在仿生叶片切削模型是低于传统的刀片。RF3叶片B, C和D小于叶片,叶片的反作用力是类似于仿生的前沿是完全进入土壤。仿生叶片C和D的切割工作低于叶片。(2)实验测试表明叶片的最大切削力比仿生的要高得多。叶片C和刀片D显示较低的切削力和工作。(3) 测试表明叶片类型对切削力和切削工作有重大影响,但切割速度没有。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这个项目是由中国国家自然科学基金(批准号51475204也没有。51475205)。作者承认的长春一汽集团公司研发中心协作有限元分析。

引用

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