基于Creo的仿生馬鈴薯培土器設(shè)計及仿真分析

姚永亮 沈鵬 魏光程

摘要：針對云南省丘陵山地中馬鈴薯種植區(qū)地形復(fù)雜、土壤黏性較大、培土阻力大等特點，在現(xiàn)有市場培土器的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行仿生優(yōu)化設(shè)計，目的是為了減小培土過程中的阻力，降低微耕機(jī)功率消耗。前期工作包括對馬鈴薯種植區(qū)的耕作條件及土壤相關(guān)數(shù)據(jù)的采集，以及農(nóng)機(jī)市場的調(diào)研等。然后利用Creo軟件對培土器進(jìn)行三維建模，進(jìn)行導(dǎo)曲線擬合優(yōu)化，添加仿生凸包。該培土器的設(shè)計適用于60～75 cm的壟距作業(yè)，通過仿生優(yōu)化之后，有效減小了土壤的黏附，降低了450 N的培土阻力，減阻率達(dá)到37.5%，培土效果符合相關(guān)的馬鈴薯種植農(nóng)藝要求。

關(guān)鍵詞：Creo建模;導(dǎo)曲線擬合;仿生凸包;培土器;馬鈴薯

馬鈴薯是我國繼小麥、水稻、玉米之后的第四大作物[1-2]，也是云南省傳統(tǒng)的種植作物。在馬鈴薯的種植過程中，中耕培土作業(yè)是必不可少的環(huán)節(jié)，培土質(zhì)量的好壞直接關(guān)系著馬鈴薯的生長和質(zhì)量[3]。云南省農(nóng)用地多為丘陵山地，馬鈴薯種植區(qū)表現(xiàn)地塊小、地形復(fù)雜等特點，兼之云南省黏重土壤面積高達(dá)245 hm2，這種土壤因其含水率的不同而表現(xiàn)出不同的性狀：當(dāng)含水率高時，土壤黏性增大，容易產(chǎn)生壅土，同時使得培土部件的黏附增大;當(dāng)土壤干燥時，容易結(jié)塊，又使得挖掘碎土阻力增大[4]。這些因素使得大型農(nóng)機(jī)無法適用，而小型農(nóng)機(jī)卻又存在動力不足等問題。因此對馬鈴薯培土器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以實現(xiàn)培土過程中的減黏降阻就顯得尤為重要。

云南省馬鈴薯栽培模式也不盡相同，依據(jù)不同區(qū)域特點、種植習(xí)慣等因素主要形成了壟作、平作、單壟單行、單壟多行等種植模式，并且人工起壟占很大比重，壟行也很難有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，因此培土器很難有固定的類別。筆者所在課題組設(shè)計了一種馬鈴薯培土器，適用于單壟單行、壟距為60～75 cm的種植模式。

1 整體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

馬鈴薯培土器結(jié)構(gòu)如圖1所示。該培土器主要由左右側(cè)板、仿生凸包、支撐板、底板以及深度調(diào)節(jié)桿組成。整體結(jié)構(gòu)簡單緊湊，各零件之間通過焊合連接在一起。培土器通過深度調(diào)節(jié)桿與微耕機(jī)的牽引機(jī)架相連接。

1.2 工作原理

馬鈴薯培土器主要用于馬鈴薯的中耕管理階段，一般來說整個中耕管理階段需要1～2次培土。

培土?xí)r鏟尖入土并破碎土壤，同時鋤掉壟行間的部分雜草，隨后土壤沿著培土器的表面不斷被抬升并且到達(dá)培土器翼部，到達(dá)翼部時，在土壤的重力以及翼部曲面提供推力的共同作用下，土壤將會被推向壟邊以及拋向壟頂，達(dá)到松土、覆蓋肥料和除雜草、培土、修壟的目的。

2 培土器關(guān)鍵部件以及主要參數(shù)的設(shè)計

2.1 培土器側(cè)板設(shè)計

以培土器的右側(cè)板為例，培土器曲面繪制和犁體曲面一樣，可以看做是犁體曲面的一種。目前，曲面繪制的方法主要由水平直元線法、傾斜直元線法、曲元線法和翻土曲線法等幾類[5]。該培土器側(cè)板是采用水平直元線法利用三維制圖軟件Creo繪制而成的（圖2）。

2.1.1 導(dǎo)曲線的確定 現(xiàn)代仿生學(xué)表明，生物經(jīng)過長期的演變，其身體構(gòu)造、體表特征已進(jìn)化得與所處環(huán)境極為契合。長期生存于土壤環(huán)境中的田鼠，其爪趾結(jié)構(gòu)特征能夠成功減小田鼠在挖掘土壤時的阻力。該培土器側(cè)板的導(dǎo)曲線則利用已有的學(xué)者研究成果[6]，對田鼠爪趾內(nèi)輪廓曲線進(jìn)行擬合，并截取其中一段，導(dǎo)曲線方程為：

又因馬鈴薯中耕培土的耕深要求為100～150 mm，因此截取導(dǎo)曲線的開度L=128.5 mm，導(dǎo)曲線高度L1為170 mm。L1與L的比值即縱深比為0.76較符合相關(guān)的理論研究[7]，入土角為30°。

2.1.2 元線角及元線長 元線角采用拋物線中的某段函數(shù)線型再根據(jù)壟形進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，元線角方程為：? Y=0.001 4x2-0.098 1x+33.755（22.5? ?調(diào)整后的元線曲線與元線角相識度r2=0.95，其中θmin為30°，θmax為58°。

自下而上所取元線編號依次定義為1～10，其參數(shù)見表1。

2.2 仿生凸包的設(shè)計

相關(guān)研究表明，某種非光滑表面的減阻與脫附效果要優(yōu)于光滑表面，朱鳳武經(jīng)調(diào)查研究得出幾何非光滑體表是土壤動物減黏降阻的原因之一[8]。本研究以蜣螂球冠凸包為原型，借用前人的研究結(jié)果，來設(shè)計仿生凸包，以實現(xiàn)培土過程中的減黏降阻[9-10]。

凸包的直徑D擬取為4 mm（蜣螂球冠凸包的底邊的平均直徑近似于3.87 mm），球冠高度h=D×（1-1.732÷2）。

h擬取為0.536 mm，考慮到加工等因素，因此將在球冠模型基礎(chǔ)尺寸上同時擴(kuò)大5倍，得底邊直徑為20 mm的圓，高為2.68 mm的球冠模型，即為仿生凸包的基本尺寸（圖3）。

在軟件Creo中利用命令“展平面組”以培土器側(cè)板的最下端為基點對曲面進(jìn)行展平面，在展開后的平面上，仍是以下端點為定位中心，首個凸包的定位尺寸為長50 mm、高25 mm，剩下凸包則以命令“填充陣列”進(jìn)行間距尺寸35 mm、邊界距離20 mm，繞旋轉(zhuǎn)中心為15°的方式進(jìn)行生成，仿生凸包繪制完成后，通過命令“展平面組變形”將展開的平面還原到原曲面。

3 仿真處理

3.1 培土器材料選用

為研究及驗證培土器培土過程中的動態(tài)特性，我們通過ANSYS中的LS-DYNA模塊對2種培土器進(jìn)行仿真及動力學(xué)分析。

根據(jù)相關(guān)資料[11]，2種培土器材料均選用 65 Mn，材料模型見表2。

土壤特性較為復(fù)雜，具有非線性、彈塑性、黏彈性及流變性等特征。又因云南省本地土壤黏性強(qiáng)、比阻大，因此對于土壤模型的選用選取LS-DYNA中的MAT147材料[12]，土壤模型參數(shù)見表3。

土壤模型的尺寸選為500×600×230 mm，因為土壤形狀比較簡單，因此，直接在ANSYS軟件中構(gòu)建。

3.2 仿真結(jié)果

根據(jù)相關(guān)農(nóng)藝要求，馬鈴薯培土過程中，入土深度為100～150 mm，因此2種模型得入土深度統(tǒng)一定為130 mm，再根據(jù)田間實測的數(shù)據(jù)，設(shè)定2個模型的初始速度皆為0.5 m/s（圖4）。

導(dǎo)出K文件并通過ANSYS LS-DYNA求解器進(jìn)行求解計算，通過LS-PREPOST查看求解結(jié)果如圖5、圖6所示。

從圖5、圖6可以看出，培土器在培土過程中的阻力不斷增大，最終趨于穩(wěn)定并在某一范圍內(nèi)來回波動;這是因為在整個切削土壤的過程中，首先是培土器入土部件接觸土壤，隨著時間的推移，切削面積不斷增大，最終當(dāng)切削面積不再變化時，培土阻力也將穩(wěn)定在某一范圍內(nèi)來回波動，造成這種波動的原因是導(dǎo)曲線的曲率是在不斷變化的，同時土壤單元在其上滑動的過程中會出現(xiàn)應(yīng)力變化。原培土器在0～0.6 s內(nèi)阻力在逐漸增大，最大值為 1 525 N，平均值在1 200 N左右波動;仿生培土器在 0～0.4 s 內(nèi)阻力不斷增大，最大值為 1 076.8 N，平均值在750 N左右波動。

4 結(jié)論

本研究提出了一種基于Creo軟件設(shè)計的馬鈴薯仿生培土器，具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，耕深可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)的特點。但適用范圍具有一定的局限性，僅適用于壟距為65～75 cm的種植模式。

仿生培土器主要是對導(dǎo)曲線以及培土器曲面進(jìn)行了仿生優(yōu)化，并且通過仿生優(yōu)化成功達(dá)到了減阻的目的，由原來的1 200 N左右減少至750 N左右，減阻率約為37.5%。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋言明，王芬娥. 國內(nèi)外馬鈴薯機(jī)械的發(fā)展概況[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2008（9）：224-227.

[2]盧肖平. 馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略的意義、瓶頸與政策建議[J]. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版），2015（3）：1-7.

[3]張麗華，康 林. 呼倫貝爾市海拉爾區(qū)馬鈴薯大壟機(jī)械化種植技術(shù)[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2018，46（14）：67-71.

[4]寧旺云. 云南馬鈴薯機(jī)械化生產(chǎn)現(xiàn)狀及發(fā)展對策[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，39（34）：21497-21498.

[5]北京農(nóng)業(yè)工程大學(xué). 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)（上冊）[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，1994：110-111.

[6]張 鵬，郭志軍，倪利偉，等. 觸土曲面準(zhǔn)線曲率特征及其減阻性能分析[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2017，39（2）：11-16，21.

[7]郭志軍，周志立，張 毅，等. 土壤耕作部件仿生優(yōu)化設(shè)計研究[J]. 中國科學(xué)（E輯：技術(shù)科學(xué)），2009，39（4）：720-728.

[8]朱鳳武. 金龜子形態(tài)分析及深松耕作部件仿生設(shè)計[D]. 長春：吉林大學(xué)，2005.

[9]李建橋，任露泉，陳秉聰. 土壤動物非光滑體表幾何單元的統(tǒng)計分析及模擬[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，1995（2）：1-5.

[10]田麗梅，任露泉，韓志武，等. 仿生非光滑表面脫附與減阻技術(shù)在工程上的應(yīng)用[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2005（3）：138-142.

[11]王萬鈞. 農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計手冊[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1988：580-600.

[12]張紅松，胡仁喜，康士廷，等. ANSYS14.5/LS-DYNA非線性有限元分析實例指導(dǎo)教程[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.趙獻(xiàn)立，王志明. 機(jī)器學(xué)習(xí)算法在農(nóng)業(yè)機(jī)器視覺系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2020，48（12）：226-231.