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1、研究与分析摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇2015年第5期(第28卷,总第139期)·机械研究与应用·doi:10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.05.014*凹坑形仿生刀齿土壤切削力分析刘伟奇,唐亚鸣,顾摇莹,唐李白,田摇杨(河海大学机电工程学院,江苏常州摇213022)摘摇要:土壤对疏浚机具的粘附会增加切削阻力、降低切削效率。土壤动物的非光滑表面为疏浚机具的仿生设计提供了参考。非光滑表面切削土壤具有减阻的作用,针对凹坑形非光滑表面的刀齿切削土壤的的受力情况进行理论分析,建立了其土壤切削模型。利用软件Fluent进行了凹坑形光滑
2、表面刀齿在土壤切削过程中的力学分析,结果表明:在一定的土壤条件下,与光滑表面刀齿相比,非光滑凹坑形刀齿粘附对土壤粘附力较小,受到的切削阻力也较小。理论分析和与数值模拟均验证了非光滑凹坑形仿生刀齿能够起到预期的减粘减阻的效果。关键词:凹坑形刀齿;受力分析;数值模拟;减粘减阻中图分类号:TU411.7摇摇摇摇摇摇文献标志码:A摇摇摇摇摇摇文章编号:1007-4414(2015)05-0042-04AnalysisontheSoilCuttingForceofConcaveBionicBladeLIUWei-qi,TANGYa-ming,GU摇Ying,TANGLi
3、-bai,TIAN摇Yang(CollegeofMechanical&ElectricalEngineering,HehaiUniversity,ChangzhouJiangsu摇213022,China)Abstract:Soilonthedredgingmachinewillincreasethecuttingresistanceandreducethecuttingefficiency.Thenon-smoothsurfaceofsoilanimalsprovidesareferenceforthebionicdesignofdredgingmachin
4、es.Thenon-smoothsurfacecuttingsoilhastheeffectofreducingresistance.Thesoilcuttingmodelisestablishedaccordingtothestressconditionsofthecuttertoothincuttingsoil.ThemechanicsanalysisonconcavesmoothsurfacecutterinsoilcuttingprocessisconductedbyusingtheFLU鄄ENTsoftware.Theresultsshowthatu
5、ndercertainsoilconditions,comparedwiththesmoothsurfacecutter,theadhesionforceofthenon-smoothconcavecutterteethtosoilisless,andthecuttingresistanceisless.Thetheoreticalanalysisandnumericalsimulationshowthatthenon-smoothconcavebionicbladecanbeexpectedtoreducethedragreduction.Keywords:
6、concaveblade;forceanalysis;numericalmodeling;dragreduction0摇引摇言Gcos琢q=,Q=(I+C+S)sin(琢+茁)+01疏浚机具切削土壤[1]过程中受力复杂,除了受L0+2Ln到剪断土壤中的毛细管[2]产生界面负压粘附力、还(W1-N1)cos(琢+茁)(1)[3]有吸泥负压力以及土壤内聚力等。开发具有减小切削阻力的刀齿,能提高疏浚的效率和降低能耗。国[4]内外的研究表明一些土壤动物的非光滑表面具有减小阻力的作用。针对仿生刀具刀齿表面非光滑结[5]构单元进行力学分析,探索其减粘减阻的机理。这对仿生疏
7、浚机具的非光滑结构单元的设计、研发具图1摇凹坑形刀齿表面载荷集度示意图有指导意义。1摇凹坑形刀齿的受力情况摇摇当土体行进到第一个凹坑时,此时受到凹坑后部如图1为凹坑形刀齿表面载荷集度示意图。非的挤压,部分土体脱落在凹坑与刀齿之间。这部分的光滑表面结构有很多中,笔者主要研究凹坑形表面的土壤对土体有支撑作用,令其均布应力为q,对土体[6]1减粘减阻特性,这里对凹坑形非光滑表面的刀齿进行分段分析,OP段与PQ段夹角为酌,酌与凹坑的[7]的受力情况进行分析,假设:淤非光滑表面刀齿以深度h与L有关,也与土壤的沉陷深度h有关。01匀速V前进;于切削不发生断裂,呈连续带状,
8、土壤0h1变形在弹性范围内;盂土层重力
