木薯仿生挖掘鏟的設計及有限元靜力學分析

李生紅 易子鈞 盧建新 張天全 黃植功

[摘 ? ?要 ]針對木薯植株在被收獲過程當中，挖掘鏟容易出現自身質量過大、碎土性能不佳、減輕土壤黏性差等問題，基于仿生學理論，設計了一種土撥鼠仿生挖掘鏟。首先用MATLAB對土撥鼠爪趾進行曲線擬合得到其多項式函數，再在SolidWorks里面設計出土撥鼠仿生挖掘鏟的三維模型。最后導入到 ANSYS Workbench中進行有限元靜力學仿真分析。通過對比普通挖掘鏟、實心仿生挖掘鏟、空心仿生挖掘鏟的應力應變情況，選擇出一種滿足設計要求的實心挖掘鏟。對比分析結果得到：實心仿生挖掘鏟擁有良好的力學性能、使用壽命及較好的質量。

[關鍵詞]木薯植株;挖掘鏟;仿生;有限元靜力學分析

[中圖分類號]S225.71 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）06–00–02

[Abstract]In the process of cassava plant harvesting， the digging shovel is prone to the problems of excessive weight， poor soil crushing performance and poor soil viscosity. Based on the bionics theory， a bionic digging shovel of woodchuck is designed. Firstly， the polynomial function of the claw toe of the groundhog is obtained by curve fitting with MATLAB， and then the three-dimensional model of the bionic digging shovel of the groundhog is designed in SolidWorks. Finally， it is imported into ANSYS Workbench for finite element static simulation analysis. By comparing the stress and strain of ordinary digging shovel， solid bionic digging shovel and hollow bionic digging shovel， a solid digging shovel meeting the design requirements is selected. The results show that the solid bionic excavator has good mechanical properties， service life and good quality.

[Keywords]cassava plant; Digging shovel; bionics; Finite element static analysis

在木薯產業中，收獲木薯的方式會對其產生重要的影響，隨著木薯種植面積的不斷擴大，僅僅只依靠手工收割方式已經無法滿足收獲大量木薯的需求?，F如今我國木薯農業發展潮流的主要趨勢是木薯收獲的機械化，挖掘鏟作為木薯收獲機整機結構中的核心部分之一，其性能好壞將直接影響到木薯收獲機的收獲效率以及機械性能。目前市面上常見的挖掘鏟存在阻力過大、土壤殘留過多等問題，因此設計可靠實用的挖掘鏟對實現木薯收割機械化具有極其重要的意義。

2013年12月，鄒翔翔等人發現當前木薯收獲機的挖掘鏟存在質量過重以及入土、碎土困難的問題，以東方螻蛄前足趾爪作為原型，設計了一種仿生挖掘鏟，該鏟具有較好的抗疲勞強度和良好的入土性能，同時降低了作業中所受牽引阻力。2015年10月，王濤等人基于土壤的碎裂理論，參考薯類等塊根類收獲挖掘鏟設計出了多階挖掘鏟，該多階挖掘鏟與普通挖掘鏟相比，其碎土性能有所提高，并且減少了應力的集中，從而減少了變形量，但其排土性能較差。2018年10月，益愛麗等人以中華田園犬的前爪為參考，設計出一種入土阻力小且碎土能力強的仿生挖掘鏟，但因其模仿狗爪這一結構特點，傷薯率較高。2020年6月，端木令堅以黃毛鼠前足爪趾為仿生原型，利用仿生減阻理論、仿生設計技術方法、離散元仿真及土壤破碎理論，設計出了一種鏟齒型木薯仿生挖掘鏟，該鏟具有較好減阻效果，但結構較復雜，排土性不高。

根據仿生工程理論，從擅長挖掘土壤的動物中獲得木薯挖掘鏟的仿生改造設計，從而提高其降低阻力的性能，是一種新型研究方法。土撥鼠是嚙齒類動物中的一種，在外形和生活方式上與老鼠相似，身體肥厚、脖子粗、吻寬、耳朵小眼睛細、四肢短而粗、尾巴短而松、爪子十分堅硬鋒利，具有高超的挖掘能力。因此，通過用Corel DRAW2019圖形設計軟件來提取土撥鼠前爪的外部輪廓曲線，在此基礎上設計一款新型木薯仿生挖掘鏟，運用Solidworks軟件進行仿生鏟的三維建模，最后在Ansys軟件中對其進行有限元靜力分析，分析其應力與應變，并與市面常見普通挖掘鏟進行對比，選擇性能更加優良的挖掘鏟。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

挖拔式木薯聯合收獲機的主要組成部分包括牽引裝置、挖掘裝置、夾持拔起裝置、機架。

1.2 工作原理

木薯收獲機作業時，農用拖拉機在木薯收獲機的前方牽引，木薯種植方向與收獲機的挖掘裝置方向正對，拔起裝置在挖掘裝置的后方，隨著拖拉機向前行進，挖掘裝置在拔起裝置的前方對木薯塊根周圍的土壤進行松土，拔起裝置在后方進行拔起，木薯塊根向上離開土地，挖拔工作完成。

1.3 主要技術參數

挖拔式木薯聯合收獲機主要技術參數詳見表1。

2 關鍵部件的設計

2.1 設計依據

描述木薯植株主要由葉片、莖干、塊根3部分組成。木薯的塊根比較脆，因此在設計挖掘鏟時就需要考慮到對塊根完整性的保護?；诒姸嘤嘘P工程仿生學的理論，發現土撥鼠作為一種長期棲息在草原和高山草甸中的動物，其彎曲而鋒利的前爪使其在挖掘深的巖石洞道時，表現出極強的挖掘能力。由于我國的土壤黏性較大，因此本文以土撥鼠的爪子作為研究對象，研究仿生挖掘鏟。

2.2 外輪廓的提取

土撥鼠爪子的后四根趾較為發達。以土撥鼠爪的第二趾為例，對其縱向截面的最大輪廓曲線作為仿生原型進行設計。

將Auto CAD軟件的的點集的批量導入Matlab中對點集進行多項式擬合，通過調整擬合系數，選取最合適的多項式擬合函數如下：內輪廓曲線函數表達式為f（x）=559.3×x2-1781×x+1407，和方差SSE=0.0001762，確定系數R-square=0.9576;外輪廓曲線函數函數表達式為：f（x）=20.28×x2-65×x+41.33，和方差SSE=4.705e-06，確定系數R-square=0.9986;趾尖輪廓曲線函數表達式為：f（x）=164.5×x2-742.7×x+827.6，和方差SSE=3.026e-06，確定系數R-square=0.9746。

上訴多項式擬合函數的和方差均接近于0，確定系數均接近1，則說明模型選擇和擬合效果好。

2.3 挖掘鏟的仿生設計

由于木薯植株的偏離程度和駕駛人員對機器的操作程度的熟悉難以得到一個確定的范圍，因此設計了一種挖掘寬度為1000 mm的挖掘鏟。土撥鼠爪趾輪廓曲線函數表達式為：f（x）=164.5×x2-742.7×x+827.6。因為從華南8號木薯測量得到的木薯直徑在40～60 mm之間，在設計挖掘鏟的相鄰鏟齒的最小間距不能大于30 mm，以此保證木薯不從鏟齒之間的縫隙掉落。同時設計了一種空心鏟，包括鏟齒和連桿均為空心，為了驗證根據土撥鼠前爪設計出的仿生挖掘鏟相較于賈晶霞等人設計的普通馬鈴薯挖掘鏟，更具有良好的性能，進而對比選擇出最佳的挖掘鏟類型。

2.4 挖掘鏟結構設計參數

挖掘鏟的結構設計參數主要取決于鏟子的入土角度、挖掘深度、挖掘面寬度等3個參數，挖掘鏟的入土角度a是挖掘鏟在工作時刀刃面和水平地面所形成的夾角;挖掘深度h是挖掘鏟深入到土壤中與土壤接觸的垂直高度;挖掘面寬度w是隨著挖掘鏟深入土壤的不同深度而發生不斷變化的。

3 挖掘鏟有限元靜力學分析

考慮到外界地理環境的限制，本文所設計的土撥鼠仿生挖掘鏟采用對其進行有限元靜力學分析的形式，分析其工作時的最大形變量及應力分布情況，以此作為更好對三種不同類型的挖掘鏟進行選擇的理論依據。

ANSYS Workbench作為一款有限元分析軟件，在其中建立相對復雜的三維模型時，操作較為煩瑣。在SolidWorks中建立三種不同類型挖掘鏟的三維模型，并導入ANSYS。為選擇出一種性能更加優良的基礎，本文將普通的挖掘鏟和所設計的實心和空心的土撥鼠仿生挖掘鏟進行仿真，比對仿真結果，進而選擇性能最佳的一種挖掘鏟。首先，對建立好的挖掘鏟的進行材料屬性的定義，設計相應的參數如下：材料類型定義為結構鋼，密度ρ=7.85×10-6 kg/mm3，泊松比μ=0.3，彈性模量E=2×105 MPa;然后，選用分析精度為10mm的網格對模型進行網格劃分。在實際使用的過程當中，設計挖掘鏟所選用的材料是優質碳素結構鋼中的65 Mn，其屈服強度σs≥430 MPa，伸長率δ≥9%，這兩個值可以作為設計校核值。

本文設計的實心和空心兩種土撥鼠仿生挖掘鏟中，可以看出：實心和空心的挖掘鏟的最大應力分別為160.81 MPa、192.14 MPa，小于材料的屈服強度，可以滿足強度設計的條件;最大變形量分別為1.1529 mm、1.2517 mm，和仿生挖掘鏟的整體長度相比，可以忽略，遠小于9%。賈晶霞等人設計的普通挖掘鏟的最大應力為828.61 MPa，比材料的屈服強度大，不滿足強度設計要求;最大變形量為12.754 mm，大于了挖掘鏟整體長度的9%，在剛度方面不滿足設計要求。因此普通挖掘鏟相較于土撥鼠挖掘鏟而言，不能夠滿足設計要求。

4 結論

（1）利用土撥鼠第二趾的外輪廓進行曲線擬合，擬合后的方差接近0，確定系數接近1，說明了該函數能夠準確模擬土撥鼠爪趾結構，證明了模型以土撥鼠爪趾為原型能夠與擬合效果很好的吻合。

（2）無論是實心挖掘鏟還是空心挖掘、普通挖掘鏟，其應力最大處在云圖中挖掘鏟的后半段顯示，為解決后半段應力集中這一現象，應當在設計時，加強對后半段挖掘鏟的設計;最大形變量在云圖中會分布在鏟子的前端部分，因此，在設計挖掘鏟時，應當考慮鏟前端的剛度，加強其剛度。

參考文獻

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