仿生深耕挖掘犁刀建模及仿真研究

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1、仿生深耕挖掘犁刀建模及仿真研究摘要：根据仿生学原理，对长根茎类中药材收获机械的关键部件挖掘犁刀进行了创新设计，同时建立了深耕挖掘犁刀的三维实体模型，运用有限元分析软件ANSYS对其进行了仿真分析，确定了深耕挖掘犁刀在挖掘时的应变分布图。结果表明，深耕挖掘犁刀产生的最大整体变形量为9.6204mm,发生在深耕挖掘犁刀的刀头；最大主弹性应变强度为2.5057e-2，最大弹性应变强度为3.6463e-2,最大等效弹性应变强度为2.4418e-2,发生在深耕挖掘犁刀螺母1上。关键词：仿生；挖掘犁刀；建模；仿真中图分类号：S225.7文献标识码：A文章编号:0439

2、-8114(2012)14-3084-04DynamicModelingandSimu1atingAnalysisofBionicsPloughingColterLlUJian-jun(DepartmentofPhysics，Mechanica1andElectrieEngineeing,SanmingUniversity,Sanming365004,Fujian,China)Abstract：Accordingtotheprincipleofbionics,anewtypeofdeepploughingco1ter,thekeyofharvestingm

3、achineryformedicinalherbswithlongrootorstalkwasdesigned・The3DsolidmodelofdeepexcavationploughingcoIterwasestab1ished；andthevisualsimulationwasconductedbyusingfinitee1ementana1ysissoftwareANSYStoconstructthestrain—releasemapofdeepexcavationploughingcolterwhendigging.Theresultsshowe

4、dthatthegreatesttotaldeformationforthedeepploughingcoulterwas9.6204mm,occurringinthecutterhead；themaximumprincipalelasticstrainwas2•5057e—2；maximumelasticstrstrengthwathemaximumeq2•4418e—2,fr0ntnut1・Keyw0rds:h■1ngc01ter;0fs011dmodva1entobionics；lysisnaecce1aestab1ishm1；simulation中

5、药材是中国几千年来治疗、保健的主要资源，目前中国中药资源物种数高达13112种。2011年中国药材种植面积已达207.6万hm2,中成药年产值为820多亿元，为促进农村经济发展、增加农民收入发挥了重要作用。但中药材收获却具有严格的时节性，如果不能及时、按时收获，将大大影响药材的品质。目前收获的方式主要是人工挖收或用简易挖掘机械挖掘，然后进行人工拣拾，此项作业存在劳动强度大、劳动效率低、收获损失高、药材的品质差等缺陷，严重影响经济效益，极大地限制了中药材种植业的发展。以长根茎类中药材收获机的关键部件挖掘犁刀为研究对象，以仿生学的原理设计一种新型的减阻降耗犁刀

6、，并对此进行相关的仿真分析。1仿生深耕挖掘犁刀的设计1.1仿生减阻机理研究从生命科学的角度来看，生物体经过漫长的历史进化进程，大大优化了自身的结构，使其适应环境的能力大大提高,这样就得到了生存和繁衍。许多困扰人类的科技难题都把焦点聚集在了生物和自然身上，仿生学就是以生物与自然中的基本特征或形态为蓝本，借助于高科技的技术手段，对其进行“形”或“神”的模仿，实现特定的技术功能或目标［1,2］o这种仿生减阻技术为耕作部件的减阻技术研究提供了一种新的思路。仿生减阻的研究大体分为两个步骤。第一步是对现有生物系统的结构、功能、过程或行为机理进行内涵研究，获取面向仿生应

7、用的生物信息，这是仿生减阻研发的基础和前提［3］。第二步是基于生物结构、功能、过程或行为机理解决科学技术难题，研制具有类似于生物系统减阻功能的技术或装备。郭志军等［4］使用XTL30-CTV体视显微镜分析了公鸡、家鼠、蛟姑以及田鼠等几种动物爪趾的几何特征。对于每一个爪趾而言，其纵剖面上都具有2条轮廓线，位于触土面一侧的轮廓线称为内轮廓线，而把位于背部的轮廓线称作外轮廓线。内、外轮廓线的相对位置数据可以通过最小二乘法来分析与拟合，把每条轮廓线的四次拟合公式换入标准的曲率方程，可计算出每条曲线在不同位置坐标下的曲率。拟合结果表明，各爪趾的轮廓线特别是内轮廓线表

8、现出明显的变曲率特征，以田鼠爪趾为例，图1给出了其中的一只田鼠左前