邓石桥[1]2004年在《仿生犁壁的减粘机理及其仿生设计》文中研究表明作为教育部科学技术研究重点项目（项目批准号：02089）和国家重大基础研究前期研究专项（项目号：2002CCA01200）资助的工作，本文研究的核心内容是土壤与犁壁表面的粘附问题和非光滑仿生机耕犁壁的设计、制造和应用问题。通过分析，本文将迄今的土壤—犁壁界面粘附的研究成果归纳为界面水膜理论和界面吸附理论。前者的主要观点为：介质水是形成界面土壤粘附的主要因素；而后者则认为界面的物理、化学吸附力是引发界面粘附的主要原因。本文在研究土壤—犁壁界面粘附机理的过程中，通过分析土壤拉脱离力试验和五层界面模型，设计了与拉脱力试验类似的界面拉伸试验，并通过该试验发现：在界面有法向位移时，粘附力主要由界面介质在拉伸过程中形成空穴和空穴负压所产生。界面形成空穴和空穴负压的条件是：介质与固体表面的粘附力大于介质分子自身的结合力。并按此观点解释了水接触角大的材料具有减粘降阻效果的原因。剪断毛细管的试验将空穴和空穴负压现象与土壤粘附联系起来。将产生毛细现象后的毛细管从中剪断，发现毛细管中的毛细水呈悬着状态，带来管中毛细水的重力如何平衡的问题。分析发现，若剪断毛细管后其管壁与剪切表面贴和紧密，则毛细水上弯月面可以产生吸附力。将这一现象与耕地是犁铧剪切土壤的过程和土壤含有大量毛细管的事实相结合，毛细水如何产生界面土壤粘附的情况得到描述。文中分析了毛细负压吸力对土壤运动的作用过程，并解释了犁壁翻土部位粘附严重及犁壁表面大面积粘附现象的产生原因。土壤在犁壁表面运动所受的切向阻力来自于摩擦和粘附两个分量。摩擦和粘附是产生机理不同的共生界面行为。本文建立了土壤—犁壁界面的力学模型，将土壤—犁壁界面的接触状态，按土壤颗粒的含水量分成四个阶段进行讨论，得出土壤运动的切向阻力由摩擦分量和粘附分量两部分合成的结论，其中，粘附分量主要由毛细负压吸力和物理、化学吸附力组成。通过讨论摩擦分量和粘附分量在不同含水量下的变化趋势，得出这两个分量变化趋势基本相反的结论。最后给出土壤运动的切向阻力表达式。该式与以前用综合系数进行的描述不同，强调切向阻力是由摩擦分量和粘附分量合成的概念。文中同时对切向粘附力的产生和相对运动时切向粘附力的变化进行了讨论。关于切向粘附力及空穴和空穴负压的讨论，对于平面的切向运动、滑振问题和平面的法向位移
洪筠[2]2009年在《多元耦合仿生可拓研究及其效能评价》文中提出生物模本的优选和生物功能原理的模拟是工程仿生学的关键。本文以多元耦合生物模本及多元耦合仿生原理为基础,将可拓学理论与多元耦合原理相结合,重点对多元耦合仿生可拓方法体系进行了探索。主要研究内容如下:多元耦合可拓建模。将可拓学的基元理论、共轭分析理论与多元耦合仿生原理相结合,形成了对多元耦合仿生进行定性、定量分析的有效工具;运用此工具,以多元耦合的生物模本及其耦合规律为基础,建立多元耦合的耦元可拓模型、耦联方式可拓模型、多元耦合仿生可拓模型;通过建模解析生物耦合功能形成机理;结合蜣螂进行了实例分析。耦元分析。定义了耦元贡献度的概念,对可拓层次分析方法进行改进,建立了试验优化层次分析方法;构造了多元耦合层次结构模型,依据已有试验数据和结论计算出荷叶多元耦合形态、结构、材料耦元的贡献度分别为0.5278,0.3326,0.1396。此方法可以进一步对耦元的特性进行分析。应用多元耦合可拓模型和已有的仿生知识,探寻工程仿生中矛盾问题的解决方法。为从生物模本的系统研究中获取工程仿生的方案,本文还运用可拓变换理论,对工程仿生矛盾问题进行了界定,建立了多元耦合仿生矛盾问题的可拓模型;依据矛盾问题运算与变换规则,建立了矛盾问题的拓展模型;利用多元耦合可拓模型和已有仿生知识进行可拓变换,寻求多元耦合仿生可拓策略。多元耦合仿生效能评价。定义了多元耦合仿生效能;根据多元耦合仿生特点对常用评价方法进行辨析,确定选用多指标综合评价方法;从多元耦合仿生功能因素、经济效益因素和质量因素等叁方面分析选取评价指标,建立了评价指标体系,并基于功效系数法建立效能评价模型;以典型仿生部件--仿生犁壁为例进行了上述方法的评价验证,结果表明,仿生犁壁比普通犁壁效能提高30.5%。
陈东辉[3]2007年在《典型生物摩擦学结构及仿生》文中进行了进一步梳理以生物在运动和生存中的附着形态特征为原型,通过足垫、生物钩等生物结构的摩擦学特性的分析和蝗虫、螽斯生物附着的实验研究,探索了生物附着过程的界面结构关系、作用副的接触行为、力学模型和摩擦学机理,提出了生物钩形作用关系模型、足垫与土壤作用关系模型、蝗虫跳跃的梯次驱动关系模型和螽斯在玻璃表面的附着关系模型,为相关技术领域的工程仿生实践提供理论依据。模仿家鼠爪趾生物钩形态所具有的挖掘属性,设计了仿生深松铲;运用众多土壤动物和土壤洞穴动物的脱附着特性设计了用于非开挖工程土壤中挤压成孔的工作部件;仿生结构部件的现场实用性试验表明,工程仿生结构在降低工作阻力方面具有优良的性能。
张金波[4]2014年在《深松铲减阻耐磨仿生理论与技术》文中进行了进一步梳理运用仿生学原理解决工程实际问题已经成为当今世界科学技术发展的一大进步。现代仿生学的研究与应用几乎已经渗透到工农业生产的各个领域，包括农业机械领域。磨损严重和耕作阻力大一直是农机耕作机械多年来未能很好解决的两大技术难题。特别对于典型农机触土工作部件深松铲，其作业特点是工作阻力大，能耗高，铲刃的土壤磨损严重，使用寿命短。本研究以结构仿生、功能仿生为手段，对深松铲进行结构优化设计，降低其耕作阻力，并提高深松铲刃的耐磨性能。某些水生软体动物壳体，如贝壳、蛤蜊壳，在其生存环境中长期承受水砂石的磨料磨损，但却表现出了优良的耐磨性能。典型土壤洞穴动物穿山甲的体表鳞片在其活动与捕食过程中承受土壤及砂石的反复磨损，同样展现出非凡的耐磨性能。上述两种生物之所以具有如此优异的耐磨特性，一方面与耐磨组织器官的材料组成有关，而另一方面是器官表面微观或宏观的几何结构起到了不可忽视的作用。土壤对深松铲刃的磨料磨损形式与上述两种生物体表耐磨组织器官的磨损形式非常相近。受到这一启发，本研究将栉孔扇贝的壳体、穿山甲体表鳞片作为仿生原型，并将这种优良特性应用于深松铲刃的耐磨设计。研究发现，贝壳和穿山甲鳞片的外表面均有呈放射状分布的棱纹形几何结构。利用逆向工程技术对两种研究对象外表面的棱纹几何结构信息进行了提取，得到了棱纹结构横截面的轮廓坐标点分布。根据坐标点的分布形态，选用正弦函数曲线对坐标点进行了数学拟合，对拟合的近似程度进行了评估，得到了拟合曲线及方程。拟合方程的一般形式为： f (x)=asin(bx+c)，利用这一数学模型，对深松铲刃的触土表面进行耐磨结构仿生设计。根据深松铲刃在实际作业过程中的农艺要求，并充分考虑了加工工艺性等因素，最终确定铲刃表面的棱纹条横截面的轮廓线方程具体形式为： f (x)=1.3sin(0.4x)，棱纹条底宽D=5mm，高H=1.3mm。棱纹条在深松铲刃表面的分布间距分别为1D，1.5D和2D叁种不同形式，其长度与铲刃的宽度相等。根据上述设计方案，选用65Mn和T10两种耐磨钢设计制备仿生耐磨深松铲刃试样，并在磨料磨损试验机上与同一材料的普通平板型深松铲刃试样进行土壤磨料磨损试验。对试验样件的磨损量分析结果表明，对于所有类型的试样，在相同试验条件下，仿生棱纹形样件的磨损量均明显小于普通平板型，减小幅度为7.1%-44%，说明仿生棱纹形几何结构可以显着提高深松铲刃的耐磨性能。而且随着相对滑动速度的升高，试验样件的磨损量随之增大，证明相对滑动速度对样件的磨损量影响显着。同种材料的仿生棱纹形深松铲刃的磨损量对比分析结果显示，分布间距为1.5D型的铲刃磨损量明显小于1D型和2D型，由此证明，棱纹结构的分布间距对铲刃的耐磨性具有显着影响，且1.5D型的棱纹分布间距最有利于提高深松铲的耐磨性。同种类型(棱纹分布间距或平板型)不同材料的试样在相同试验条件下的磨损量对比分析结果表明，T10钢样件的磨损量均小于65Mn的，说明T10钢的耐磨性明显高于65Mn。这可为以后深松铲刃耐磨性提高之加工制造材料的选择提供理论依据。经过亿万年的进化，自然界中某些生物的身体器官具备了某种特殊功能。如典型土壤洞穴动物小家鼠，其爪趾即进化出了极其高效的土壤挖掘功能。这可以为深松铲的减阻结构设计提供仿生参考。本研究以小家鼠具有高效挖掘功能的爪趾为仿生原型，以降低深松铲的耕作阻力为目标，对深松铲的铲柄破土刃口曲线形式进行结构仿生设计。研究发现，深松铲的耕作阻力主要来自于铲柄破土刃口对坚硬土层的犁切作用，因此，降低铲柄破土刃口的切土阻力将会使深松铲耕作阻力显着下降。研究发现，小家鼠爪趾的纵剖面上表面轮廓线具有指数特征，其方程的具体形式为：Y=66.61e0.0117X+17.78e0.1835X。将爪趾轮廓拟合曲线应用于深松铲铲柄的破土刃口曲线结构设计之中，设计制备了指数函数曲线型仿生减阻深松铲。在室内土槽实验室与L型、倾斜型、抛物线型叁种类型的深松铲进行了耕作阻力对比试验。耕作阻力对比分析结果表明，耕深和前进速度对深松铲的耕作阻力具有显着影响。在相同试验条件下，指数函数曲线型深松铲的耕作阻力均小于其它叁种类型，阻力降低幅度为7.9%-58.7%，说明指数函数曲线型深松铲具有明显的减阻效果。利用指数函数曲线型深松铲与普通圆弧型深松铲在田间进行了耕作阻力试验，结果表明，在相同试验条件下，指数函数曲线型深松铲的耕作阻力明显小于普通圆弧型深松铲，阻力降低幅度为8.5%-39.5%，由此更进一步证明指数函数曲线型深松铲具有优良的减阻性能。对两种类型深松铲的耕层土壤扰动横剖面形貌进行了分析，结果显示，指数函数曲线型深松铲耕作后的土壤直缝较窄，土壤隆起的程度较小，说明对表层土壤的扰动作用小，更有利于提高耕后土壤的蓄水保墒能力。对仿生深松铲柄和仿生深松铲刃的协同减阻性能进行了土槽耕作阻力试验研究，结果表明，在相同试验条件下，与传统平板型深松铲刃相比，仿生棱纹形深松铲刃可以有效减小深松铲的耕作阻力。叁种类型的仿生深松铲刃中，1.5D型深松铲刃的减阻效果最佳。利用离散单元法对指数函数曲线型深松铲和抛物线型深松铲的土壤耕作过程进行了数值模拟，结果显示，指数函数曲线型深松铲的应力场和速度场均明显小于抛物线型，这一模拟结果再一次证明了指数函数曲线型深松铲优异的减阻性能。
李青[5]2007年在《基于TRIZ理论和仿生原理的犁技术进化的研究》文中指出本论文通过对TRIZ理论和仿生学方法的系统分析,结合仿生减粘脱土理论,利用TRIZ理论的冲突解决原理对TRIZ理论和仿生学方法解决问题的一般步骤做了初步探索,指出两者的结合的必要性以及重要意义;通过对TRIZ冲突理论的系统分析,获得TRIZ理论利用冲突解决原理解决问题的步骤,并且通过对犁壁的减粘脱土问题的研究,得出解决发明问题的原理,并做原理上的阐述;通过分析TRIZ技术进化理论的有关问题,指出技术进化理论解决问题的一般步骤,并利用TRIZ技术进化理论描绘出关于犁的技术进化成熟度曲线,指出现阶段犁技术的技术成熟度,通过对犁技术进化过程的描述,指出犁技术所遵循的技术进化模式,并在概念上对犁的改进方案提出初步设想。
李慕勤, 蔡丁森, 庄明辉, 杨海, 彭书浩[6]2017年在《农机犁铧堆焊组织结构仿生设计与耐磨性》文中研究说明为了提高农机犁铧使用寿命,寻求与蜣螂体表的微结构形态相似的堆焊微观组织结构。设计Fe-Cr-C-(B4C)x系金属粉芯焊丝,通过B4C添加量的变化调控堆焊层微观组织结构向蜣螂体表的表面微结构变化。采用CO_2气体保护焊进行往复摆动堆焊,观察堆焊层显微组织结构,并进行了EBSD相分析,测定了堆焊层HRC和磨粒磨损性能。结果表明,堆焊层组织为马氏体、下贝氏体及网状(Cr,Fe)_3(B,C),并含有少量硬质点TiC。得到的微观组织结构达到了蜣螂体表的微结构形态仿生效果,并且使堆焊层耐磨性均高于65Mn钢3~4倍。
朱凤武[7]2005年在《金龟子形态分析及深松耕作部件仿生设计》文中研究说明深松作为保护性耕作的重要措施之一,耕作阻力大,能耗高是其主要特征。本论文从工程仿生学角度出发,通过对深松部件进行仿生设计和参数化分析,以降低深松部件的耕作阻力作为研究的重点。首先对金龟子科动物体形特征参数进行分析,比较各科属体形参数的变化规律。并分析了以蜣螂为代表的金龟子科动物前足胫节各齿形态特征:基齿、中齿及端齿角度;前足胫节各齿顶端轮廓线及其外缘轮廓线的形状,属于二次抛物线形状,拟合精度较高,这种抛物线形状有利于动物挖掘土壤和减小阻力,为深松部件的仿生设计提供了依据。其次,对金龟子前足楔形爪趾与土壤相互作用进行受力分析,以二面楔和叁面楔的工作原理为理论基础,将其应用到深松铲的受力分析,建立了深松铲牵引阻力的数学模型。并利用动态叁轴仪对耕作土壤进行了叁轴测试试验,得出了试验土壤的机械特性参数,以Drucker-prager 弹塑性本构关系为土壤材料模型,进行了深松部件与土壤相互作用的有限元分析。最后,基于金龟子前足胫节齿顶轮廓线与外缘轮廓线的抛物线形状,采用VC 程序设计语言并结合ANSYS 程序,建立了深松铲形状参数化程序,得出各种参数下的深松铲牵引阻力,以此对深松铲形状参数进行优化。在上述研究的基础上对仿生深松部件进行田间测试,分析了影响深松牵引阻力的主次因素,并对实测值与参数化程序的计算值进行比较,结果表明,用参数化设计的方法来优化深松部件的仿生设计是可行的,而且采用UHMWPE 基复合材料对深松铲面进行处理能有效地减小深松铲的牵引阻力。上述研究工作及其所取得的成果突破了传统深松部件形状设计研究思路,提出了参数化程序设计和优化的方法,为深松部件的设计提供了一定基础。
王兆亮[8]2009年在《起垄铲仿生设计及其降阻特性分析》文中进行了进一步梳理基于仿生学手段,提取野猪头部吻突部位模型,对模型进行法向距离分析、曲面曲率分析、高亮分析、截面曲线曲率分析和斑马线分析。通过这五种曲面分析得出:野猪吻突部位具有特殊几何特征。提取野猪吻突部位前端的生物几何特征曲线,共提取五条素线方程和一条脊线方程。分析起垄铲的类型和主要参数,利用所提取的野猪吻突部位的素线和脊线方程设计出五种含有不同生物信息的仿生起垄铲。设计并进行室内土槽试验,在不同的起垄速度下测试五种仿生起垄铲和普通起垄铲的起垄阻力。通过试验获得了室内土槽中仿生起垄铲与普通起垄铲在五种不同起垄速度下的起垄阻力。选取土槽试验中降阻效果最好的仿生起垄铲及普通起垄铲,利用有限元方法模拟两种起垄铲与土壤相互作用的过程。对模拟结果进行分析,探讨仿生起垄铲降阻机理。为验证仿生起垄铲的降阻效果,进行验证性田间试验研究。比较仿生起垄铲与普通起垄铲在相同耕作条件下的起垄阻力得到:总体上,仿生起垄铲比普通起垄铲降阻6.91%,试验结果验证了仿生起垄铲具有降阻效果。
车仁特（Benard, Chirende）[9]2009年在《基于圆盘犁仿生设计对犁耕阻力影响的研究》文中研究指明本文包括以下叁个部分:有限元模拟,仿生设计和室内试验基于蜣螂的体表形貌,采用有限元分析软件Ansys 10.0进行了圆盘犁仿生设计的叁维有限元模拟。在有限元分析中,以Drucker– Prager理想弹塑性模型描述土壤变形行为,该模型仅适用于很低犁耕速度条件下土壤变形的模拟。主要研究目标是发现不同仿生设计对减少犁耕阻力的影响,因此对土壤变形过程中圆盘犁的犁耕阻力进行了测量,文中的仿生设计是以具有凸包和凹坑的蜣螂触土体表作为仿生原型。犁耕阻力测量试验在吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室的室内土槽进行,凸包单元的材料使用超高分子量聚乙烯(UHMWPE)。本试验目的是验证有限元分析结果,同时观察较高犁耕速度条件下,不同仿生设计对于犁耕阻力的影响。有限元分析与室内土槽试验结果一致,误差小于等于10%,满足精确性要求。有限元分析和室内试验结果均表明,仿生圆盘犁8在降低犁耕阻力方面是最有效的,并且仿生单元本身(无论是凹坑还是凸包)对于降低犁耕阻力也是至关重要的,其中凸包单元降低犁耕阻力最明显。仿生圆盘犁8的尺寸为:单元基部直径20mm,凸包高度3mm,单元密度30%。综上所述,仿生非光滑设计思想能够应用于圆盘犁以降低犁耕阻力。
贾洪雷, 王万鹏, 陈志, 郑铁志, 张鹏[10]2017年在《农业机械触土部件优化研究现状与展望》文中提出简述了农业机械触土部件的发展及现状,归纳了可提升触土部件减阻降耗、减粘脱附和耐磨延寿等性能的诸多优化设计方法,明确了土壤性状与触土部件结构或材料之间的互作关系,提出触土部件材料的优化制造工艺,分析了仿生等先进设计方法在触土部件上的应用前景,最后总结了触土部件设计、加工等方法对现代农业机械性能的保障性作用,并对未来触土部件的研究趋势和发展方向进行了展望。
参考文献：
[1]. 仿生犁壁的减粘机理及其仿生设计[D]. 邓石桥. 吉林大学. 2004
[2]. 多元耦合仿生可拓研究及其效能评价[D]. 洪筠. 吉林大学. 2009
[3]. 典型生物摩擦学结构及仿生[D]. 陈东辉. 吉林大学. 2007
[4]. 深松铲减阻耐磨仿生理论与技术[D]. 张金波. 吉林大学. 2014
[5]. 基于TRIZ理论和仿生原理的犁技术进化的研究[D]. 李青. 吉林大学. 2007
[6]. 农机犁铧堆焊组织结构仿生设计与耐磨性[J]. 李慕勤, 蔡丁森, 庄明辉, 杨海, 彭书浩. 焊接. 2017
[7]. 金龟子形态分析及深松耕作部件仿生设计[D]. 朱凤武. 吉林大学. 2005
[8]. 起垄铲仿生设计及其降阻特性分析[D]. 王兆亮. 吉林大学. 2009
[9]. 基于圆盘犁仿生设计对犁耕阻力影响的研究[D]. 车仁特（Benard, Chirende）. 吉林大学. 2009
[10]. 农业机械触土部件优化研究现状与展望[J]. 贾洪雷, 王万鹏, 陈志, 郑铁志, 张鹏. 农业机械学报. 2017
标签：农业工程论文; 仿生设计论文; 土壤结构论文; 阻力系数论文; 土壤密度论文; 机理分析论文; 科学论文; 科普论文;