曹孟陬,張正燁,徐海波

(1.木浦大學,韓國 木浦;2.揚州工業(yè)職業(yè)技術學院,江蘇 揚州 225127;3.廣東理工學院,廣東 肇慶 526100)

0 引言

我國人均占據的森林面積與全球森林總面積相比,僅占有17%的比重[1]。根據統(tǒng)計數(shù)據得出,自從20世紀70年代起,我國的沙漠化問題加速蔓延,平均每年會有2470hm2的沙漠產生[2-3]。為此,可以通過樹木的種植和栽培有效地解決土地沙漠化問題,但同時需要投入巨大的勞動力[4-6]。人工進行樹木栽培工作存在效率低、成本高的問題,為解決這一問題,應采用使用機械化種植的方式[8-9]。目前,市場上的大多數(shù)植物苗移栽機都是通過鍬片來進行挖掘工作的,鍬片在植物苗移栽機中起著十分重要的作用,鍬片本身的尺寸、厚度及數(shù)量和分布都會對植物苗移栽機的使用效率造成影響。因此,不斷地探索優(yōu)化鍬片的本身特性可以有效解決植物苗移栽機在使用用能量消耗迅速的問題。

在對挖掘過程中減少阻礙力的研究中,崔占容根據仿生學的物理原理,利用了逆向工程技術構建了一種模仿野豬頭部的三維幾何模型,并根據其自身特點對曲線和線條展開分析;最后,通過實驗得出仿生鍬片可以減少在土壤中所受阻力的結論。長時間生活在地下的動物,通過數(shù)千年來的遺傳和進化,構成了一種減少粘膜從而降低阻礙的特性。在仿生實驗中,外部分布的幾何非光滑單元是影響地下動物減少粘膜阻礙的有效因素。劉慶懷等人根據對長期生活在地下的動物布甲的長期研究發(fā)現(xiàn),布甲的表面存在許多幾何非光滑單元,而這些幾何非光滑單元在布甲的挖掘器官大鱷上的分布數(shù)量最多。

本文結合仿生學和物理學兩個維度,從動物進行挖掘工作過程中受到啟發(fā),在對植物苗移栽機的鍬片受力分析的基礎上,對移栽機的鍬片進行改造,從而達到了減少切割土壤的阻礙力目標。工作時,使用物理模擬軟件對鍬片切割土壤過程進行研究和探索,得出了能將仿生鍬片的作用發(fā)揮到極致的各項參數(shù)指標,如受阻力最小的切割角度、仿生鍬片中所含有的幾何非光滑單元的分布情況,并通過計算機的動態(tài)模擬檢查仿真鍬片在對土壤進行切割作業(yè)中有效性能。最后,通過完善和優(yōu)化對仿生鍬片的使用參數(shù),來降低鍬片切割土壤的阻力和能源消耗量。

1 植物苗移栽機鍬片的原理及受力分析

植物苗移栽機鍬片主要由懸架掛、開合架、開合油缸、鍬片及滑動導軌組成,如圖1所示。工作過程中,首先開啟開合架,轉動移載機使苗木到達鍬片組的正中間區(qū)域,再閉合開合架;液壓油缸使4個鍬片按照順序切進土壤中,把苗木和土壤進行分開;最后,移栽機大臂機構把鍬片組與土塊包住的苗木提高到一定的位置,開到指定的區(qū)域范圍內,把苗木卸下,完成移植工作。

鍬片在割切進土壤時,因為承受阻力的狀況十分繁雜,且鍬片在切割土壤和苗木根莖過程中應該承受很大的阻力,造成鍬片產生了變形,承受力的分布狀況十分繁雜。另外,鑒于土壤力學分析程度的現(xiàn)狀,以往的理論方式已經無法精準地獲取鍬片在進行工作時所承受的阻力,所以理論計算往往運用將相同理論作為根本的模型試驗構建的鍬片切割阻力經驗公式,即

F=0.1307X1.1384·γ0.7553·

C0.2447(13.9275+0.5633×100.0243β)

式中F—鍬片的受力(kN);

X—鍬片切削位移量(mm);

γ—土壤密度(g/cm3);

C—土壤內聚力(Pa);

β—鍬片圍角的半角 (°)。

但是,對于這種理論計算所獲取的結果,無法精準地體現(xiàn)出鍬片在切割土壤時受力狀況,不能作為結構分析的精確依據。為此,采用ANSYS軟件模擬鍬片切割土壤的環(huán)節(jié),再采用軟件LS-ProPos研究鍬片每一個部位的承受阻力狀況,明確鍬片的較大和較小的承受阻力點,為鍬片的完善設計提供理論支撐和數(shù)據。

2 移栽機鍬片土壤切削中的數(shù)值優(yōu)化

2.1 切削模型構建

選取一個科學合理的土壤本構模型,對于確保鍬片切割土壤時研究的正確性具有重要意義。本文采用ANSYS,基于第148號材料(即MAT148原料)模型。該模型是一個適合在實體單元、分析損傷的各向同性材料模型。針對實驗的位置土壤進行測量,具體分析土壤模型參數(shù)值如表1所所示。剩下部分取值參照LS-DYNA971關鍵字手冊中的*MAT_FHWA_SOIL模型。土壤中單元類別選擇3D Solid 164單元。

表1 土壤模型參數(shù)Table 1 Soil model parameters

在SolidWorks中構建弧形鍬片與土壤三維模型,如圖2所示。鍬片組織采取四瓣式,即鍬片圍角的半角β=45°,鍬片的厚度為0.8mm,采用 ANSYS15.0導進已經完成的三維模型中。單元類別主要采用Thin shell163單元,鍬片原料采用具有彈性的材料Elastic模型,鍬片原料為鋼質材料。仿真過程中的材料參數(shù)值按照順序填入:密度為7.85×103kg/m3,彈性模量為2.1×1011Pa,泊松比為0.3。

圖2 鍬片和土壤模型Fig. 2 Spade and soil model

進行網格劃分的過程中,土壤通常采取的是六面體網格的制作手法,手動掌控線條單元的數(shù)量。鍬片采取的是四面體網格制作方法,手動布置單元體的大小,網格分布后的模型具體如圖3所示。

圖3 鍬片和土壤仿真網格模型Fig.3 spade and soil simulation grid model

為了獲取更加精確的仿真成果,將土壤的單元進行加固,使其可以在進行切割時不會進行來回躥動,將設立的土壤單元底部面積自由度進行管束。為使土壤模型能夠達成無限大地面的程度,針對土壤模型周圍采用無反射邊界條件的管束。在LS-DYNA中建立鍬片和土壤間為面積觸碰的侵蝕研究,即ESTS- Eroding 種類,這一個接觸的種類是當單元發(fā)生失靈過程時所需要采用的接觸。

由于鍬片為弧形,所以無法直觀設定其直線速度。設鍬片勻轉速運動,角速度為0.109 rad/s,獲取解的時間為3s。挖樹的工作需求直徑是1m,挖掘出的土塊接近球狀,對于鍬片是四瓣型并且支撐滑弧度數(shù)值是0.258。設計鍬片進入土壤中的深度是350mm,當?shù)竭_認定的進入土壤深度過程中,計算將會自動暫停。

2.2 數(shù)值優(yōu)化和結果分析

2.2.1 鍬片切削土壤過程中的最佳入土角

鍬片按照均勻的速度去切割土壤,在0s時尖端位置最先接觸土壤;隨著鍬片和土壤之間的碰觸面積的逐漸增加,鍬片對土壤的剪切與擠壓的作用力提升,導致和其直接碰觸的土壤單元受到嚴重的損害導致失靈變形。根據軟件LS-ProPost計算結果,鍬片切割階段土壤相對于鍬片而言是沿著鍬片外表進行向上的移動,與此同時承受前方與上部的壓力及鍬片的擠壓,造成土壤承受能力聚集在刃口上部,并不是鍬片刃口位置。

在其余條件不變的狀況下,只更改鍬片的入土角度,求出的結果如表2所示。由表2可知:當鍬片的入土角度為83°時,鍬片所承受土壤最大的反作用力最小,平均的反作用力最小。當鍬片的進入土壤角度為83°過程時,鍬片進入土壤的受力情況如圖4所示。由圖4可知:1.27s后鍬片所承受能力不會再發(fā)生任何改變,此時鍬片入土深度已經到達了設計值的350,計算終止。

表2 各個切削角情況下的鍬片的受力狀況Table 2 Stress status of spade at each cutting angle

圖4 切削角為 83°時鍬片受力圖Fig.4 Stress diagram of shovel when cutting angle is 83 °

2.2.2 鍬片外形設計

為了降低鍬片在進行切割土壤階段時所需要承受的阻力,借鑒土壤動物布甲的挖掘器官大鱷的體型組織結構,在原外形上設計冠形凸起,從而實現(xiàn)降低鍬片切割阻力的目標。布甲大鱷外表的凸起單元區(qū)域比較復雜,在設計過程中所選擇凸起按照矩形形狀分散,凸起的大小包含凸起的高度、凸起的直徑及凸起的中心間距。構建如圖5所示的仿生鍬片模型,可以看出:凸起的高度已高出4mm以上,對于鍬片阻力不能產生較大的影響,因此選取凸起高度是4mm。為了明確凸起直徑與中心距離,將針對這兩個因素展開正交實驗,根據ANSYS軟件虛構仿真鍬片切割土壤的經過,進而求出鍬片所承受土壤的反作用力。仿真中鍬片進入土壤的角度設計為83°,表3提供了不同凸起直徑和中心距離狀態(tài)下仿真鍬片所承受的最大力度和平均承受力度的狀態(tài)。

表3 不同凸起直徑和中心距離狀態(tài)下仿真鍬片承受最大力度和平均力度Table 3 Maximum and average strength of simulated spade under different protruding diameters and center distances kN

圖5 鍬片三維模型Fig.5 3D model of spade

由表3可知:當鍬片外表凸起的直徑為15mm、凸起的中心距離為29mm時,鍬片所承受的最大的作用力最低,平均作用力最小。在計算過程中應用MatLab 軟件將原有的鍬片與仿生鍬片的計算結果從數(shù)據表中導出來,制出如圖6所示的鍬片承受作用力對比圖。

圖6 鍬片受力對比圖Fig.6 Comparison diagram of spade

由圖6可知:與原有的鍬片進行比較,仿生鍬片能夠有效降低阻力13.9%。

3 試驗及分析

3.1 方法及條件

仿生鍬片仿真如圖7(a)所示。鍬片外表凸起是球冠形,高度約為5mm,凸起的直徑是15mm,凸起中心距離為29,把仿生鍬片直接裝在移栽機的樣機上展開對比較實驗。實驗的區(qū)域選擇在學校內的一個園林處,所選用土壤模型的主要參數(shù)來源于本次實驗,并全面考慮鍬片尺寸大小與樹枝的分叉程度。為了防止將枝葉損傷,實驗選擇主桿直徑應該不高于10cm的樹木展開挖采。由于鍬片要進行較深的土壤工作,用較為平常的測力傳感設施其承受力度相對較復雜,應變片會在切割土壤時產生形變,且鍬片每一個位置的承受力度大小有差異,不能很好確定衡量其承受能力狀況,所以驅動鍬片液壓缸的壓力去反映出整個鍬片的受力狀況,即鍬片受力是液壓缸進油口的壓力和進油口面積的乘積。工作時,采取型號是SR-PPT-600-05-OC 的雷諾-流量/壓力傳感器,量程為60MPa,誤差值不大于0.3MPa;進行數(shù)據采集時所選用的設施型號是TAQ2-480 的雷諾-智能液壓測試儀,最高能夠取得26萬個/s數(shù)據點。試驗設備與測試系統(tǒng)如圖7(b)所示。

圖7 鍬片試驗設備及其試驗流程圖Fig.7 Spade piece test equipment and its test flow chart

實驗過程中,在液壓缸進油口測量壓力并結合流量,經數(shù)據線傳入液壓測試儀中,計算機經過數(shù)據線收集獲取液壓測試儀的數(shù)據,再對軟件AMEsim 獲取的實驗成果展開對比。測試的過程如圖7(c)所示。

反復進行的5次實驗中,為保證結果的準確性,選用的壓力傳感器的型號一致。針對驅動原有鍬片與仿生鍬片的液壓缸展開進油口壓力測量,并收集測量數(shù)據,把5次所獲取的數(shù)據傳入得出平均值,用公式F=Ps計算得到鍬片受力值。

3.2 結果分析

5次試驗測試結果如表4所示。

表4 園間測試對比結果Table 4 Comparison results of inter-garden tests kN

求5次實驗數(shù)據的平均數(shù)值,仿生鍬片的最大承受作用力是2.568kN,并進行仿生鍬片和原有的鍬片的受力對比,如圖8所示。由圖8可知:仿生鍬片在全部承受能力上相對較低,最大承受能力數(shù)值下降了12%。仿生鍬片的測量成果和仿真成果繪制線條具體如圖9所示。由圖9可知:數(shù)值計算和實驗數(shù)據之間有一定誤差。產生誤差的原因如下:實驗過程中操作員根據手柄操控鍬片接近勻速切割進入土壤中,與仿真的條件有一些差距;土壤承受力度發(fā)生了變形,對鍬片的承受力產生了卸載的影響,促使實驗中土壤和數(shù)值計算所采用的土壤模具存在一定程度的差異。

圖8 原型鍬片和仿生鍬片的試驗受力曲線Fig.8 Test stress curve of the prototype spade and the biomimetic spade

圖9 仿生鍬片仿真與試驗受力曲線Fig.9 Simulation and experimental force curve of bionic spade

4 結論

1)采用SolidWorks、ANSYS軟件構建鍬片和土壤之間作用力的數(shù)值計算模型,計算出鍬片在進行土壤切割時受力隨著時間變化的趨勢。通過對鍬片在不相同切割角度所承受的作用力研究,得知最佳鍬片切割角度為83°。

2)在鍬片的切割角度為83°且其他因素不改變的條件下,將數(shù)值完善,獲取仿生鍬片的最佳參數(shù)值為:外表凸起直徑15mm,凸起的中心距為29mm 。

3)實驗結果表明:仿生鍬片可以降低阻礙力12%,設計的仿生鍬片具有良好的減阻效果。