以砂鱼蜥头部为原型的仿生深松铲尖设计与离散元仿真

　　摘要：为解决传统深松机具触土部件破土困难、耕作阻力大等问题，以砂鱼蜥头部为仿生原型，采用逆向工程技术对其特殊几何特征进行提取，将量化后的几何结构特征应用于深松铲尖的设计，以期减小深松铲作业阻力和能耗。依据不同特征曲面，设计了种仿生铲尖试样，并与凿型铲尖试样进行性能对比。建立离散元模型，求解不同铲尖垂直贯入土壤阻力;制备试样，通过万能试验机进行土壤垂直贯入实测试验;将模拟结果和实测试验进行对比，结果表明离散元仿真分析和实测试验结果吻合较好，最大贯入阻力的相对误差为2.47%～3.91%。使用离散元法分析仿生铲尖和凿型铲尖在土壤分层情况下的相互作用，证实仿生铲尖比凿型铲尖具有更低的所需牵引力，其中仿生铲尖减阻效果最好，相对于凿型铲尖，其减阻率为8.34%～19.31%。离散元分析揭示砂鱼蜥头部仿生曲线特殊的曲率变化对破土阻力有显著影响，仿生铲尖改变了土壤颗粒的流动方向，减小了铲尖上方土壤扰动范围，从而降低所需牵引力。在种作业速度和种耕作深度下阻力的仿真结果与土槽试验结果进行对比，误差范围为10.83%～17.06%。本研究结果为农机具触土部件的减阻增效提供了设计依据和理论基础。

　　关键词：深松铲;砂鱼蜥;仿生;逆向工程;离散元;减阻

　　0引言

　　深松作为一项重要的保护性耕作技术，可有效改善土壤压实问题，实现作物的增产增收，在世界范围内得到了广泛应用[1-2]。然而目前耕地作业的能量消耗大，占农业田间作业的40%～60%[3-4],随着耕深和耕速的增加，造成的深松工作阻力大、能量损失及作业效率低是深松领域迫切需要解决的问题[5]。目前，深松减阻方法主要包括电子渗透减阻、分层深松减阻、振动深松减阻和结构优化减阻等[6-7]，但分层和振动深松仍存在能量消耗大、机械结构复杂等问题。许多研究证明，在结构方面对深松铲进行优化设计，即通过改变破土刃口曲线及铲柄、铲尖的几何结构，可减小耕作阻力和能量损失[8]。

　　近年来，仿生学不断被有效应用于农机具的结构优化。田鼠、野猪及黑熊等土壤挖掘动物的几何特征被应用于深松铲的优化设计，且具有良好的减阻效果[9-11]。砂鱼蜥是一种来自撒哈拉沙漠地带的特殊土壤动物，形态学和行为学的结合使其有效适应了沙漠环境，可在沙土内部实现快速运动。AUMGARTNRT等[12]在砂鱼蜥鳞片表面发现特殊的微刺结构，使其具有较好的耐磨性，保护其体表在运动过程中不受砂砾损伤。

　　ALADEN等[13]发现砂鱼蜥主要由身体和尾巴提供大振幅正弦波摆动力，再通过其头部瞬间破土，然后钻进沙丘内部运动。作为前进过程中直接破土的部位，砂鱼蜥头部的特殊几何特征是其具有优异破土减阻性能从而在土壤内部迅速运动的重要因素。土壤耕作部件结构直接影响农机具的性能[14]，而铲尖作为深松铲的关键部件，其结构形状对深松铲作业过程中所需牵引力及土壤扰动行为有很大的影响，从而影响深松的作业效率与能源消耗。因此可基于土壤动物头部，利用逆向工程技术对其几何特征进行提取，将提取的轮廓拟合曲线进行参数化建模并设计仿生深松铲铲尖，以实现由生物模型到数学模型的转化。

　　采用离散元法对触土部件工作性能进行评价和分析逐渐成为研究热点，是一种用于模拟并分析散体介质系统动力学行为的数值方法[15]。农机具耕作过程的模拟仿真是一项复杂的工作，而离散元法从微观的角度对仿真系统中的每个散体颗粒进行分析，能够很大程度上提高模拟准确性，使仿真结果更加接近于实际情况[16]。本文基于仿生学原理，结合砂鱼蜥头部特殊的几何结构特征设计深松铲铲尖;通过土壤垂直贯入试验，获得的力-位移曲线及贯入阻力;将模拟与实测结果进行对比，以验证离散元方法的有效性;利用离散元法模拟土壤颗粒分别与仿生深松铲和普通深松铲相互作用后的力学行为及颗粒运动情况，为深松作业的节能减阻提供理论基础和设计依据。

　　1基于砂鱼蜥头部几何结构特征的仿生深松铲设计

　　1.1砂鱼蜥头部三维点云提取和模型建立

　　本文选取的仿生原型为成年砂鱼蜥(Scincuscincus)，体长18cm，头部长2cm，宽2cm。通过逆向工程对砂鱼蜥的头部结构进行提取。为获得清晰的砂鱼蜥头部特征曲面，用清水洗去砂鱼蜥体表杂物，然后用无水乙醇消毒，并用蒸馏水清洗干净，待干燥后在砂鱼蜥身体表面均匀喷涂DPT型显像剂，为了获得完整头部三维点云模型，将砂鱼蜥身体用支架抬高并固定于自动转台，使用桌面级高精度物体白光3D扫描仪(WiibooxReeyee系列，南京威布三维科技有限公司)对砂鱼蜥身体进行360°扫描，获取砂鱼蜥原始三维点云模型。将扫描得到的原始点云模型文件导入到逆向工程软件GeomagicWrap中，对点云模型进行删除噪声点、平滑等一系列修复过程后获得精确曲面。

　　2深松铲作业过程离散元仿真

　　2.1接触模型选择

　　采用ORRISSEY等[19]提出的包含非线性弹塑性变形与粘结力的接触模型，即PA模型，用于模拟深松铲作业时土壤产生的弹塑性变形以及土壤之间由于水分的存在产生的粘结力。颗粒与深松铲之间的接触模型则采用EDEM中默认的HertzMindlin(noslip)模型。

　　2.2深松铲与土壤相互作用离散元模型建立

　　深松铲主要由圆弧形铲柄和铲尖组成，圆弧形铲柄高度760mm，宽度60mm，曲率半径300mm，入土角为23°(即铲尖安装角度)。深松铲铲尖的宽度为60mm，长165mm，将组铲尖安装于深松铲铲柄，完成深松铲的设计建模。种仿生铲尖与铲柄进行配合并组装成的仿生深松铲。然后通过离散元对仿生铲尖在实际土壤中的耕作效果和阻力情况进行仿真分析。

　　2.3离散元仿真结果与分析

　　2.3.1深松铲作业所需牵引力求解

　　在深松铲进入土槽后，铲尖对犁底层土壤进行剪切和挤压，形成连续裂缝，断裂以弹性变形的形式开始，在铲柄切土刃的剪切作用、直铲柄段的挤压作用下进一步破裂、松碎，土壤颗粒沿垂直于铲尖及铲柄圆弧段方向上及两侧抬升，对深松铲产生反作用力(所需牵引力和所受垂直力)，接着进入非弹性阶段直至变形极限，即阻力趋于稳定[24]。

　　而深松铲后方的土壤则在重力的作用下，随着深松铲的前进而下落，回填垄沟。在其中的稳定波动阶段为0.5～1.8s，不同的作业速度下稳定波动阶段时间不同。在作业速度为1m/s，耕深为300、350、400mm，以及耕深在300mm，速度为0.8、.0、1.2m/s的作业条件下， 与进行对比仿真。采用稳定波动阶段的力平均值绝对值作为各组铲尖在土壤中所需的牵引力和所受的垂直力。牵引力和垂直力是农机具与土壤接触的两个重要参数，分别决定了工具的牵引功率需求和土壤渗透能力[10]。

　　3深松铲减阻性能试验

　　3.1深松铲制备及土槽试验平台搭建

　　为了通过实践检验仿生铲尖设计的合理性，在昆明理工大学土槽实验室内进行试验。试验土壤选用云南省耕作用的红壤土，测得不同深度下土壤含水率和土壤密度平均值。

　　3.2土槽试验与仿真结果对比

　　在种作业速度、种耕作深度下所需牵引力的仿真与试验结果对比如表所示。在前进速度一定时，深松铲的牵引力会随着耕作深度的增大而增大，仿生铲尖相对于国标凿型铲尖具有减阻效果，减阻率为5.74%～9.64%。深松铲的牵引力在耕作深度一定时也会随着前进速度的增大而增大，仿生铲尖的减阻率5.34%～8.85%。在仿生深松铲中，的减阻效果最好，其次是和，减阻效果与在DEM中仿真结果一致，仿真与土槽试验的误差范围在10.83%～17.06%。

　　3.3铲尖垂直贯入土壤阻力实测结果及其与仿真相关性分析

　　3.3.1垂直贯入土壤实测试验与仿真分析方法

　　为了更为细致地分析仿生铲尖减阻机理，同时进一步检验本研究所采用的离散元法仿真模型的准确性，开展不同铲尖土壤垂直贯入实测试验与仿真。在仿生设计的基础上，将模型调整为便于贯入试验的试样形式，宽度20mm，长度70mm。通过快速成型加工技术将个试件导入WiibooxMini系列3D打印机(南京威布三维科技有限公司)进行制备，打印材料采用生物降解塑料聚乳酸(PLA)，打印精度0.1mm，其弹性模量为10MPa，弯曲模量为100～150MPa，密度为1.2610kg/m，拉伸强度为40～60MPa，加工温度170～230℃。

　　由于铲尖主要功能为打破犁底层，因此实测试验所使用的土壤收集于耕作田地犁底层，将收集的土壤干燥后，挑拣出杂物，用半径为mm的筛子筛分土壤颗粒，然后加入蒸馏水调节土壤含水率，测得土壤含水率为～18.5，将试验用土壤填充入00mm00mm200mm的铁质土槽中，由于箱体的直径远远大于仿生结构的直径，边界效应可以忽略不计[8]。为保证每次试验土壤条件一致，每次贯入试验后，疏松土壤，并用50N的压土板进行压实。

　　使用P300系列电子万能试验机(济南美特斯测试技术有限公司)测量土壤贯入阻力，样件向下运动速度为4mm/s，运动行程为0mm，确保试样完全入土。试验因素为铲尖试样类型，试验指标为每个试样在垂直入土时所受的贯入阻力测量值，每个试样重复次试验。垂直贯入土壤仿真同样使用犁底层土壤颗粒参数，仿真中采用与实测试验尺寸相同的土槽模型，土槽设置约束和两个方向的边界条件，在箱体的顶面即方向上不受任何约束。

　　设置颗粒半径为mm，随机生成颗粒31772个，待所有颗粒沉降稳定后土槽建立完成。为确保仿真的精确度和求解效率，将参与计算的三维模型导入Workbench中，铲尖试样采用四面体网格进行划分，网格大小设置1mm;土壤颗粒的网格尺寸按照仿真模拟中最小颗粒的半径度量，设置为颗粒半径的2.5倍，即7.5mm。然后，将得到的各模型网格以.msh格式导入到EDEM中。设置以4mm/s的恒定速度垂直入土，进入深度为0mm，对几种不同铲尖模型进行仿真。

　　农业论文投稿刊物：农业机械学报于1957年在北京正式创刊，发展至今，目前已经成为农业工程类中文核心期刊。主要刊登文章范围包括：农业机械、农业工程、农用动力和能源、农产品及食品加工机械、农机化以及有关边缘学科的基础理论、设计制造、材料工艺、测试仪器与手段的研究成果及发展动向，反映学科最新研究成果和学术水平。

　　4.结论

　　(1)在EDEM中模拟实际土壤分层情况，将组深松铲进行仿真对比试验，由于仿生曲线特殊的曲率特征，仿生铲尖起到了较好的减阻效果，相对于凿型铲尖，其减阻率为8.34%～19.31%;并且随着耕作深度和作业速度的增加，所需牵引力与垂直力也增大。

　　(2)在入土初期，仿生铲尖表面土壤颗粒速度大于凿型铲尖，仿生铲尖在前进时更容易打破犁底层。组深松铲所形成的扰动情况相似，而在铲尖上方的土壤颗粒扰动范围最大，的扰动范围最小。仿生铲尖改变了土壤颗粒的流动方向，也减少了对土壤的扰动。

　　(3)土槽试验与仿真的结果表明，的减阻效果均最好，其次是和。仿真与试验的误差范围在10.83%～17.06%，由此验证离散元法对所需牵引力仿真的可行性，同时通过实践检验了仿生铲尖设计的合理性。

　　(4)贯入土壤阻力实测与仿真结果表明，实测与仿真中各组力位移曲线趋势一致，与进行比较，分析得到贯入阻力均为最小，其次是和;仿生铲尖特殊几何结构可以减缓贯入阻力的增长速度，进一步探索了仿生铲尖的减阻机理;实测与仿真相关系数别为0.9942、0.9931、0.9899和0.9886，最大贯入阻力的相对误差为2.47%～3.91%，表明离散元法对实际试验有着较好的预测效果。

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　　作者：张智泓，甘帅汇，左国标，佟金2,3

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