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

【摘要】：苗間智能除草機械能很好的滿足苗間除草的要求,而末端執(zhí)行機構(gòu)是苗間智能除草機械的重要組成部分,它直接影響除草機械的除草效果。目前,我國末端執(zhí)行機構(gòu)的類型較少,并且有關苗間智能除草機械的研究主要集中在自動控制、導航技術(shù)和圖像采集及處理等,有關末端執(zhí)行機構(gòu)的研究比較缺乏。因此,設計簡單高效的末端執(zhí)行機構(gòu)對豐富末端執(zhí)行機構(gòu)和推動苗間除草機械的發(fā)展有著重大的意義。土壤洞穴動物經(jīng)過億萬年的進化,很好的適應了周圍環(huán)境,優(yōu)化出了優(yōu)良的幾何結(jié)構(gòu)和生物力學特性,為仿生技術(shù)的發(fā)展提供了很好的效仿對象。鼢鼠是典型的土壤洞穴動物,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)機械觸土部件的設計和優(yōu)化提供了很好的仿效對象。本研究對鼢鼠前爪爪趾的幾何結(jié)構(gòu)進行了觀察和分析。結(jié)果表明,鼢鼠前爪爪趾粗大有力,結(jié)構(gòu)獨特,選擇最為粗壯的第3趾作為后續(xù)工作的研究對象。利用逆向工程技術(shù)提取了鼢鼠前爪第3趾的點云數(shù)據(jù),并利用逆向工程軟件基于點—線—面造型技術(shù)對鼢鼠爪趾進行曲面重構(gòu);截取鼢鼠爪趾輪廓特征曲線點云數(shù)據(jù)并進行曲線擬合,得到了擬合曲線方程,經(jīng)過對比擬合曲線的精度,選擇高斯函數(shù)作為縱向輪廓特征曲線的方程,多項式函數(shù)作為橫向輪廓特征曲線的方程,并分別對各曲線的二階導數(shù)和曲率進行了量化分析�；邝魇笞χ狠喞卣髑�方程設計了一種用于苗間除草機械的仿生除草鏟和用于作對比試驗的圓弧型除草鏟,并設計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平臺對前進速度分別為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°時的牽引阻力進行了測定和分析。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速度為200 mm/s,入土角為0°時達到最小值;前進速度800 mm/s,入土角為15°時牽引阻力達到最大值;仿生除草鏟的牽引阻力在低速和較小入土角時小于圓弧型除草鏟的牽引阻力,在高速和較大入土角時大于圓弧型除草鏟的牽引阻力,仿生除草鏟適合應用于低速條件下的除草作業(yè),而圓弧型除草鏟適合應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,對除草鏟在入土角為0°和15°,前進速度為200 mm/s和800 mm/s時與土壤的相互作用進行模擬分析。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刻和終止時刻土壤所產(chǎn)生的Mises等效應力變化幅度不大。除草鏟入土角為15°時對土壤造成的擾動和破壞要大于入土角為0°時對土壤造成的擾動和破壞。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°時的反作用力均值分別為78.09 N和124.16 N。對比室內(nèi)土槽試驗得到的牽引阻力,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,從而驗證了室內(nèi)土槽試驗的準確性。本研究基于東北鼢鼠前爪第3趾的輪廓曲線方程設計了一種適用于苗間除草機械的苗間仿生除草鏟。為苗間除草機械整機的研制奠定了基礎,也為國內(nèi)苗間除草機械的研制提供新的思路和方法,對苗間除草技術(shù)的發(fā)展具有參考價值。
【關鍵詞】：苗間除草 除草鏟 土壤動物 鼢鼠 逆向工程技術(shù) 有限元方法
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：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)外株間機械除草技術(shù)的研究現(xiàn)狀14-27
• 1.2.1 國外株間機械除草技術(shù)的研究現(xiàn)狀15-21
• 1.2.2 國內(nèi)株間機械除草技術(shù)的研究現(xiàn)狀21-25
• 1.2.3 株間除草機械末端執(zhí)行器的類型25-27
• 1.3 仿生學在農(nóng)業(yè)機械設計中的應用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)特征與納米力學特性分析33-55
• 2.1 研究對象的捕捉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 試驗儀器和用品41
• 2.4.2 制備試驗樣品41
• 2.4.3 試驗結(jié)果與分析41-45
• 2.5 爪趾納米力學特性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 試驗儀器與試驗樣品制備58-61
• 3.2.1 試驗儀器58-60
• 3.2.2 試驗樣品制備60-61
• 3.2.3 鼢鼠爪趾點云獲取61
• 3.3 鼢鼠爪趾點云處理61-74
• 3.3.1 鼢鼠爪趾點云數(shù)據(jù)預處理61-62
• 3.3.2 數(shù)據(jù)點群平滑處理62-63
• 3.3.3 點云的精簡處理63-66
• 3.3.4 爪趾點云數(shù)據(jù)的對齊與拼接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)學基礎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 苗間除草鏟的設計與加工87-99
• 4.1 仿生除草鏟的設計思路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 除草鏟試驗配套零部件的設計與加工95-97
• 4.4 本章小結(jié)97-99
• 第5章 除草鏟土槽牽引試驗99-109
• 5.1 試驗設備與儀器99-101
• 5.2 試驗方案與安排101-103
• 5.3 試驗結(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131-141
• 攻讀學位期間發(fā)表的學術(shù)論文及參加科研項目情況141-143
• 致謝143-145
• 導師及作者簡介145-159

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本文編號：305094