基于螳螂前足的仿生缺口圓盤耙設計與仿真

李文龍， 張金波，2， 楊傳華， 劉向東， 姜慶昌， 劉明普

（1.佳木斯大學機械工程學院，黑龍江 佳木斯 154007；2.梧州學院機械與化工學院，廣西 梧州 543002）

0 引 言

東北黑土地是世界上為數不多的大自然給予人類的得天獨厚的寶藏，是一種性狀好、肥力高，非常適合植物生長的土壤。近年來，由于自然因素和人為因素的破壞，長期的高強度無節制的使用、土壤的侵蝕、化肥農藥的大量使用，導致黑土地變“薄”、變“瘦”、變“硬”，東北黑土區水土流失嚴重，使得黑土地的保護性耕作得到了重視［1-3］。減少翻耕，實行免耕少耕、以耙代耕，降低對黑土地的破壞成為了當前最重要的農業課題之一［4］。其中圓盤耙可以切斷秸稈和雜草并與土壤充分混拌，實現秸稈有效還田，是目前應用最為廣泛的作業機具。常見的圓盤耙［5-6］主要有全緣式和缺口式兩種，其中缺口式圓盤耙又分為三角形、梯形和半圓形。耙片凸面周邊和缺口部分的切削刃使得缺口耙片有較強的切土、碎土和切斷殘茬［7-9］的能力。而缺口圓盤耙經過一段時間的作業后，刃口逐漸變鈍，使得其切斷雜草和作物莖干的能力顯著下降，最終導致拖拉機的牽引阻力增加，能耗升高。

針對上述問題，基于仿生學原理，將螳螂前足結構應用于缺口圓盤耙切削刃口設計，提高莖干和雜草的切割能力，增強其切斷和入土性能，降低作業阻力，減少作業能耗。通過對螳螂前足的鋸齒結構分析，設計仿生鋸齒式缺口耙片，旨在探究基于仿生學的缺口式圓盤耙設計新方法，并通過對比試驗驗證其作業效果，為圓盤耙的優化提供參考［10-11］。

1 螳螂前足的鋸齒結構

螳螂（Mantis）亦稱刀螂，前足腿節和脛節有利刺，脛節鐮刀狀，場向腿節折疊，如圖1（a）所示［12］。其前足具有尖銳鋒利的鋸齒結構，如圖1（b）所示。主要用于捕獲和切割獵物。將缺口圓盤耙切削刃口設計成鋸齒狀，可有效增加工作過程中對作物秸稈、雜草及土壤的切割和粉碎能力，避免出現切割物相對耙片刃產生相對滾動，無法完成切割或切斷效果差的情況［13-14］。

圖1 螳螂前足

2 缺口圓盤耙仿生設計

以半圓形缺口式圓盤耙為基礎，設計新式缺口圓盤耙。除耙片刃口鋸齒形結構外，耙片的其他主要結構參數依據JB／T6979.2-1992標準確定［15］，如圖2所示。

圖2 耙片結構參數示意圖

耙片直徑D，根據耙深要求，按下列經驗公式計算：

式中：K為徑深比，選取范圍為3～5，設計時耙深大取小值，反之取大值；A為設計耙深，mm。

耙片直徑還要滿足

式中，d為間管最大直徑。

耙片曲率半徑ρ，ρ值小的耙片翻土能力強，但工作阻力增加，ρ值的選取與耙片直徑D、徑深比K和耙組偏角γ等有關：

或按經驗數值選取。

耙片刃角i，在保證刃口強度的條件下，盡量取小值以減小切土阻力。常用i值為14.5°～22°。系列圓盤耙中重型耙為22°；中型耙為20°；輕型耙為14.5°。

耙片厚度δ，根據耙片工作負荷的大小選取，或用經驗公式計算：

耕耙黏重土壤：

一般常用δ＝3.5～6 mm。

結合上述圓盤耙結構參數選用原則并基于仿生學原理，將螳螂前足鋸齒形結構參數優化后應用與缺口圓盤耙切土刃口設計：耕深a＝140 mm，耙片直徑D＝550 mm，耙片曲率半徑ρ＝600 mm，耙片刃角i＝20°，耙片厚度δ＝5 mm，方孔尺寸為33 mm×33 mm，耙片深度t＝67 mm，耙片偏角根據農業機械設計手冊選取20°。

3 耙片切土過程

利用有限元法對兩種類型（仿生鋸齒狀缺口耙片和傳統缺口耙片）與土壤相互作用的過程進行運動學及動力學仿真分析。

3.1 缺口耙片三維模型建立

仿生缺口耙片為回轉體對稱圖形，通過對耙片分析，并結合農業機械設計手冊確定模型結構參數。

利用Creo Parametric 5.0軟件對回轉體對稱零件采用局部特征逐步拉伸陣列法生成，各零件局部特征參數在零件特征內相關，便于優化設計。設計建模時忽略倒角等對分析影響較小的尺寸。仿生鋸齒形耙片Creo模型如圖3所示。為對比分析作業效果，同時建立傳統缺口圓盤耙模型，如圖4所示。經過參數優化，仿生鋸齒狀缺口圓盤耙片的質量為6.63 kg，傳統缺口圓盤耙片的質量為8.16 kg，相比較仿生鋸齒狀缺口圓盤耙片比傳統缺口耙片的整體重量降低18.75%。

圖3 仿生鋸齒狀缺口圓盤耙片

圖4 傳統缺口圓盤耙片

3.2 耙片切削土壤過程仿真分析

基于LS-DYNA對仿生缺口圓盤耙和普通缺口耙片的土壤切削過程進行仿真分析。采用LS-PERPOST專用后處理器軟件查看LS-DYNA模擬結果。將仿生鋸齒狀缺口耙片導入Hypermesh中進行網格劃分。使用LS-PERPOST定義關鍵字，導入到LS-DYNA中進行分析，通過LS-PERPOST查看分析結果。

3.2.1 土壤模型

土壤模型尺寸為：600 mm（長）×800 mm（寬）×400 mm（高），材料采用LS-DYNA中的MAT147（MAT＿FHWA＿SOIL）土壤材料模型，該模型采用修正的Mohr-Coulomb屈服準則［16］。

式中：F為模型屈服表面力，N；Fp為壓力，N；Φ為內摩擦角，（°）；j2為應力偏張量第2不變量；k（θ）為應力羅德角函數；c為黏聚力，N；α為修正后屈服面和標準Mohr-Coulomb屈服面之間貼近程度參數。

當β＝0時，式（6）恢復為標準的Mohr-Coulomb準則。

結合黑龍江地區的實際土壤特性［17］，考慮土壤模型的密度、土粒相對密度、體積模量、剪切模量、內聚力、內摩擦角、含水率等因素的影響，確定土壤物理特性參數見表1。其余參考值采用MAT147材料的默認值［18］。

表1 土壤物理特性

3.2.2 耙片材料選擇

材料的設置是有限元分析的重要步驟，不同材料有著不同的屬性。根據生產實際，耙片采用綜合力學性能（韌性、耐磨性及強度）較好的65Mn［19］，耙片厚度確定為5 mm。

分析過程中變形量對分析結果的影響忽略不計，采用MAT＿RIGID材料，參數見表2。

表2 耙片材料屬性

3.2.3 仿真模型參數設定

耙片和土壤均采用Creo5.0進行建模，導入到HyperMesh中進行網格劃分，網格劃分后共創建202 032個元素、208 557個節點，耙片和土壤的有限元網格劃分模型如圖5所示。

圖5 耙片、土壤相互作用有限元模型

定義接觸面積，圓盤耙片與土壤模型初始不接觸，計算過程中圓盤耙片逐步接近切割土壤，定義接觸類型為表面-表面接觸（*ERODING＿SURFACE＿TO＿SURFACE），圓盤耙片定義為Contact表面，土壤定義為Target表面。

定義圓盤耙片的初始速度及施加約束。根據圓盤耙實際工作工況，設定機具的前進速度為2.22 m／s。圓盤耙片沿X軸方向的平動速度為2.086 m／s，沿Y軸方向的平動速度為0.759 m／s；仿生鋸齒狀缺口圓盤耙片繞Y軸的旋轉角速度為25 rad／s；傳統缺口耙片繞Y軸的旋轉角速度為25 rad／s。土壤模型底部進行全約束，為了真實反映土壤相互之間的作用，視土壤模型為無限大，在土壤模型四周施加無反射邊界條件約束。

3.2.4 切削過程仿真

在使用LS-DYNA的專用前后處理軟件LSPREPOST進行前處理完畢后，生成K文件，再利用LSDYNA進行求解處理［20-21］。仿生鋸齒狀圓盤耙片切割土壤過程的仿真結果如圖6（a）～（d）所示。圓盤耙片刃口依次切削土壤，對土壤進行擠壓、切削、拋翻，隨著切削過程的進行，耕作阻力逐漸增大，當圓盤耙片完全進入土壤后，耕作阻力趨于穩定。

圖6 仿生鋸齒狀缺口圓盤耙片切削土壤有限元分析

土壤應力變化曲線如圖7所示，在耙片進入土壤平穩運行后，通過計算得知，仿生鋸齒狀缺口耙片切削土壤時，切削阻力的平均值為1.727 Pa；傳統缺口耙片切削土壤時，切削阻力的平均值為1.749 Pa。相比之下，仿生鋸齒狀缺口圓盤耙片的切削阻力降低了1.26%，切削阻力及能耗有所降低。

圖7 土壤應力變化曲線

對兩種類型圓盤耙片的土壤耕作效果進行對比分析［見圖8（a）、（b）］。結果表明，仿生鋸齒狀缺口圓盤耙片松土效果更好。

根據圖8兩種類型耙片對土壤的擾動結果分析，在相同的試驗條件下，在滿足作業條件的前提下，仿生鋸齒形耙片的土壤的擾動作用比普通耙片的擾動作用提高了2.44%。對于仿生耙片，由于仿生鋸齒形結構的存在，有效提高了耙片的碎土能力。

圖8 耙片對土壤耕作效果

4 耙片切削秸稈仿真分析

4.1 秸稈模型

秸稈模型參數為：單根秸稈平均直徑25 mm，長度800 mm，為使仿真結果更加準確，秸稈數量設定為24根，材料采用LS-DYNA中的MAT003（MAT＿PLASTIC＿KINEMATIC）彈性材料模型。采用水稻秸稈進行分析，其物理特性參數見表3［22-24］。其余參考值采用MAT003材料的默認值。

表3 秸稈物理特性

4.2 仿真模型參數設定

耙片和秸稈均采用Creo5.0進行建模，導入到HyperMesh中進行網格劃分，網格劃分后共創建30 096個元素、40 959個節點，耙片和秸稈的有限元網格劃分模型如圖9所示。

圖9 耙片秸稈相互作用有限元分析

其余參數與耙片切削土壤的仿真參數設定數值及所使用軟件一致。仿生鋸齒形缺口圓盤耙片切割秸稈的應力變化曲線如圖10所示。在耙片平穩運行后，通過秸稈受力分析，仿生鋸齒形缺口圓盤耙片切削秸稈時，切削阻力平均值為0.771 MPa；傳統缺口耙片切削秸稈時，切削阻力的平均值為0.805 6 MPa。相比之下，仿生鋸齒狀缺口圓盤耙片的切削阻力降低了4.2%。同時由于鋸齒形結構的存在，使耙片刃口與作物莖干間的滑移大大降低，增加了耙片的秸稈和雜草切割能力。

圖10 應用平臺的計算示例

圖10 秸稈應力變化曲線

5 結 語

基于仿生學原理設計鋸齒形缺口圓盤耙。利用有限元法對仿生耙片和普通耙片的土壤作業效果以及對兩種類型耙片的秸稈切割效果進行了仿真分析，得到了以下結論：

（1）仿生鋸齒形耙片的土壤耕作阻力小于普通缺口耙片，且在相同實驗條件下，在滿足作業要求的前提下，仿生耙片的重量比普通耙片降低了18.75%。結果表明，仿生耙片不僅降低了作業能耗，而且可以有效減小加工制造成本。

（2）在相同實驗條件下，仿生鋸齒形耙片的秸稈切割阻力比普通耙片的切割阻力降低了4.2%。對于仿生耙片，由于仿生鋸齒形結構的存在，有效減小了耙片與作物莖干間的滑移效果，提高了耙片的莖干切割能力。