本文關(guān)鍵詞：基于鼢鼠爪趾幾何結(jié)構(gòu)特征的苗間仿生除草鏟設(shè)計(jì)，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：苗間智能除草機(jī)械能很好的滿足苗間除草的要求,而末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)是苗間智能除草機(jī)械的重要組成部分,它直接影響除草機(jī)械的除草效果。目前,我國末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的類型較少,并且有關(guān)苗間智能除草機(jī)械的研究主要集中在自動(dòng)控制、導(dǎo)航技術(shù)和圖像采集及處理等,有關(guān)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的研究比較缺乏。因此,設(shè)計(jì)簡單高效的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)豐富末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)和推動(dòng)苗間除草機(jī)械的發(fā)展有著重大的意義。土壤洞穴動(dòng)物經(jīng)過億萬年的進(jìn)化,很好的適應(yīng)了周圍環(huán)境,優(yōu)化出了優(yōu)良的幾何結(jié)構(gòu)和生物力學(xué)特性,為仿生技術(shù)的發(fā)展提供了很好的效仿對(duì)象。鼢鼠是典型的土壤洞穴動(dòng)物,常年生活在地下,具有高效的挖掘能力,其挖掘足的爪趾幾何結(jié)構(gòu)為農(nóng)業(yè)機(jī)械觸土部件的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了很好的仿效對(duì)象。本研究對(duì)鼢鼠前爪爪趾的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察和分析。結(jié)果表明,鼢鼠前爪爪趾粗大有力,結(jié)構(gòu)獨(dú)特,選擇最為粗壯的第3趾作為后續(xù)工作的研究對(duì)象。利用逆向工程技術(shù)提取了鼢鼠前爪第3趾的點(diǎn)云數(shù)據(jù),并利用逆向工程軟件基于點(diǎn)—線—面造型技術(shù)對(duì)鼢鼠爪趾進(jìn)行曲面重構(gòu);截取鼢鼠爪趾輪廓特征曲線點(diǎn)云數(shù)據(jù)并進(jìn)行曲線擬合,得到了擬合曲線方程,經(jīng)過對(duì)比擬合曲線的精度,選擇高斯函數(shù)作為縱向輪廓特征曲線的方程,多項(xiàng)式函數(shù)作為橫向輪廓特征曲線的方程,并分別對(duì)各曲線的二階導(dǎo)數(shù)和曲率進(jìn)行了量化分析�；邝魇笞χ狠喞卣髑�方程設(shè)計(jì)了一種用于苗間除草機(jī)械的仿生除草鏟和用于作對(duì)比試驗(yàn)的圓弧型除草鏟,并設(shè)計(jì)了與除草鏟配套的其他零部件。在室內(nèi)土槽利用搭建的除草試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)前進(jìn)速度分別為200 mm/s、400 mm/s、600 mm/s和800mm/s,除草鏟入土角分別為0°、5°、10°、15°和20°時(shí)的牽引阻力進(jìn)行了測定和分析。結(jié)果表明,兩種除草鏟的牽引阻力隨著前進(jìn)速度和入土角度的增加而增大;兩種除草鏟在高速和較大入土角狀態(tài)下的牽引阻力明顯大于低速和較小入土角的牽引阻力;兩種除草鏟的牽引阻力在前進(jìn)速度為200 mm/s,入土角為0°時(shí)達(dá)到最小值;前進(jìn)速度800 mm/s,入土角為15°時(shí)牽引阻力達(dá)到最大值;仿生除草鏟的牽引阻力在低速和較小入土角時(shí)小于圓弧型除草鏟的牽引阻力,在高速和較大入土角時(shí)大于圓弧型除草鏟的牽引阻力,仿生除草鏟適合應(yīng)用于低速條件下的除草作業(yè),而圓弧型除草鏟適合應(yīng)用于高速條件下的除草作業(yè)。在有限元分析軟件ABAQUS中分別建立兩種除草鏟和土壤的三維模型,對(duì)除草鏟在入土角為0°和15°,前進(jìn)速度為200 mm/s和800 mm/s時(shí)與土壤的相互作用進(jìn)行模擬分析。結(jié)果表明,圓弧型除草鏟和仿生除草鏟切入土壤的初始時(shí)刻和終止時(shí)刻土壤所產(chǎn)生的Mises等效應(yīng)力變化幅度不大。除草鏟入土角為15°時(shí)對(duì)土壤造成的擾動(dòng)和破壞要大于入土角為0°時(shí)對(duì)土壤造成的擾動(dòng)和破壞。圓弧型除草鏟在切入速度200 mm/s,入土角為0°和15°時(shí)的反作用力均值分別為71.22 N和86.35 N;在切入速度800 mm/s,入土角為0°和15°時(shí)的反作用力均值分別為105.48 N和122.67 N。仿生除草鏟在切入速度200 mm/s,入土角為0°和15°時(shí)的反作用力均值分別為63.71 N和74.00 N;在切入速度800 mm/s,入土角為0°和15°時(shí)的反作用力均值分別為78.09 N和124.16 N。對(duì)比室內(nèi)土槽試驗(yàn)得到的牽引阻力,有限元分析方法得出的除草鏟切入土壤得出的反作用力的變化規(guī)律與之相同,從而驗(yàn)證了室內(nèi)土槽試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。本研究基于東北鼢鼠前爪第3趾的輪廓曲線方程設(shè)計(jì)了一種適用于苗間除草機(jī)械的苗間仿生除草鏟。為苗間除草機(jī)械整機(jī)的研制奠定了基礎(chǔ),也為國內(nèi)苗間除草機(jī)械的研制提供新的思路和方法,對(duì)苗間除草技術(shù)的發(fā)展具有參考價(jià)值。
【關(guān)鍵詞】：苗間除草 除草鏟 土壤動(dòng)物 鼢鼠 逆向工程技術(shù) 有限元方法
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：S224.1
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-13
• 第1章 緒論13-33
• 1.1 研究的目的和意義13-14
• 1.2 國內(nèi)外株間機(jī)械除草技術(shù)的研究現(xiàn)狀14-27
• 1.2.1 國外株間機(jī)械除草技術(shù)的研究現(xiàn)狀15-21
• 1.2.2 國內(nèi)株間機(jī)械除草技術(shù)的研究現(xiàn)狀21-25
• 1.2.3 株間除草機(jī)械末端執(zhí)行器的類型25-27
• 1.3 仿生學(xué)在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用27-29
• 1.4 鼢鼠的研究現(xiàn)狀29-31
• 1.5 本論文主要的研究內(nèi)容31-33
• 第2章 鼢鼠挖掘足爪趾結(jié)構(gòu)特征與納米力學(xué)特性分析33-55
• 2.1 研究對(duì)象的捕捉33-34
• 2.2 鼢鼠生活環(huán)境土壤參數(shù)的測量34-38
• 2.2.1 土壤含水率測定34-35
• 2.2.2 土壤顆粒尺寸分布測定35-38
• 2.3 鼢鼠挖掘活動(dòng)的觀察38-41
• 2.4 挖掘足爪趾結(jié)構(gòu)分析41-45
• 2.4.1 試驗(yàn)儀器和用品41
• 2.4.2 制備試驗(yàn)樣品41
• 2.4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析41-45
• 2.5 爪趾納米力學(xué)特性45-52
• 2.5.1 爪趾截面微觀結(jié)構(gòu)45-47
• 2.5.2 鼢鼠爪趾納米力學(xué)特性分析47-52
• 2.6 本章小結(jié)52-55
• 第3章 鼢鼠爪趾數(shù)據(jù)采集與特征曲線分析55-87
• 3.1 逆向工程技術(shù)55-58
• 3.1.1 逆向工程的概念55-56
• 3.1.2 逆向工程的關(guān)鍵技術(shù)56-57
• 3.1.3 逆向工程技術(shù)常用軟件57-58
• 3.2 試驗(yàn)儀器與試驗(yàn)樣品制備58-61
• 3.2.1 試驗(yàn)儀器58-60
• 3.2.2 試驗(yàn)樣品制備60-61
• 3.2.3 鼢鼠爪趾點(diǎn)云獲取61
• 3.3 鼢鼠爪趾點(diǎn)云處理61-74
• 3.3.1 鼢鼠爪趾點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理61-62
• 3.3.2 數(shù)據(jù)點(diǎn)群平滑處理62-63
• 3.3.3 點(diǎn)云的精簡處理63-66
• 3.3.4 爪趾點(diǎn)云數(shù)據(jù)的對(duì)齊與拼接66-67
• 3.3.5 鼢鼠爪趾外形幾何模型重構(gòu)67-69
• 3.3.6 鼢鼠爪趾重構(gòu)曲面分析69-74
• 3.3.7 鼢鼠爪趾三維模型重構(gòu)74
• 3.4 鼢鼠爪趾體表特征曲線分析74-86
• 3.4.1 曲線擬合的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)74-77
• 3.4.2 鼢鼠爪趾縱向輪廓特征曲線分析77-81
• 3.4.3 鼢鼠爪趾橫向輪廓特征曲線分析81-86
• 3.5 本章小結(jié)86-87
• 第4章 苗間除草鏟的設(shè)計(jì)與加工87-99
• 4.1 仿生除草鏟的設(shè)計(jì)思路87-88
• 4.2 除草鏟的主要參數(shù)88-95
• 4.2.1 仿生除草鏟的主要參數(shù)88-89
• 4.2.2 除草鏟參數(shù)的確定89-94
• 4.2.3 除草鏟的加工94-95
• 4.3 除草鏟試驗(yàn)配套零部件的設(shè)計(jì)與加工95-97
• 4.4 本章小結(jié)97-99
• 第5章 除草鏟土槽牽引試驗(yàn)99-109
• 5.1 試驗(yàn)設(shè)備與儀器99-101
• 5.2 試驗(yàn)方案與安排101-103
• 5.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析103-108
• 5.4 本章小結(jié)108-109
• 第6章 除草鏟與土壤相互作用的有限元分析109-127
• 6.1 有限元方法及ABAQUS軟件109-110
• 6.2 有限元模型的建立110-119
• 6.2.1 土壤三維模型的建立110-117
• 6.2.2 除草鏟三維模型的導(dǎo)入117-118
• 6.2.3 約束條件與加載方式118-119
• 6.3 有限元分析結(jié)果與討論119-125
• 6.3.1 Mises應(yīng)力云圖119-123
• 6.3.2 反作用力123-125
• 6.4 本章小結(jié)125-127
• 第7章 結(jié)論與展望127-131
• 7.1 結(jié)論127-128
• 7.2 展望128-131
• 參考文獻(xiàn)131-141
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文及參加科研項(xiàng)目情況141-143
• 致謝143-145
• 導(dǎo)師及作者簡介145-159

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本文編號(hào)：305094