基于蝼蛄爪趾特征的仿生挖掘机铲斗的设计与分析

摘要

挖掘机械主要用于开挖土壤、石方等工程挖掘物料，并将物料装入运输车辆或卸至堆料场，是使用最为广泛的重要工程机械之一。
　　本文根据国内外挖掘机铲斗工作装置设计的发展现状，结合挖掘机工作装置高效化、低能耗等发展趋势，综合运用了机械设计、工程仿生学以及计算机辅助设计等现代设计技术，以挖掘机斗齿定点挖掘土壤为例，对现有挖掘机铲斗模型的挖掘效果和所受土壤的反向作用力等问题进行研究和探讨。
　　基于仿生学原理，选取具有优越挖掘效率的土壤动物蝼蛄，通过实验获取其挖掘足爪趾截面生物曲线，并使用截面图像逆向建模技术获得蝼蛄挖掘足爪趾三维模型，使用拟合方法得到数字化生物拟合曲线。对现有挖掘机斗齿进行仿生学设计，得到具有生物学特性的新型仿生挖掘机斗齿，并根据斗齿与铲斗的配合关系进一步设计得到基于蝼蛄爪趾生物信息的仿生挖掘机铲斗，从而提供了一种减阻效率较高的新型挖掘机铲斗设计方案。
　　本文分析了切削机具与土壤之间的相互作用关系，研究了土壤的结构与物理性质，并使用ANSYS/LS-DYNA软件对现有挖掘机斗齿模型和仿生斗齿模型的土壤切削过程进行对比分析，完成斗齿不同入土角度对其切削土壤时造成的土壤破坏情况的分析，进而分析了两种斗齿在同种工况下进行土壤切削时挖掘性能。仿真结果表明仿生学斗齿在进行土壤切削时对土壤的破坏作用优于普通斗齿，可以有效的增强挖掘机铲斗在土壤挖掘过程中对土壤的破坏能力，降低挖掘机铲斗在工作中所受的土壤阻力，有助于提高挖掘机的综合性能、降低挖掘阻力并提高其挖掘效率。本研究对新型仿生挖掘机铲斗的设计有参考与借鉴意义。

目录

声明

摘要

1 前言

1．1 研究背景、目的及意义

1．2 国内外研究现状与发展趋势

1．2．1 挖掘机铲斗研究现状

1．2．2 触土部件的仿生研究概况

1．2．3 土壤切削机理研究现状

1．3 本论文研究内容

2 仿生研究对象选取及生物信息的提取

2．1 仿生研究对象的选取

2．2 土壤动物蝼蛄的介绍

2．3 蝼蛄挖掘足爪趾生物信息的提取

2．3．1 蝼蛄爪趾生物试样的制备

2．3．2 蝼蛄爪趾生物信息的采集

2．3．3 蝼蛄爪趾逆向建模

2．3．4 蝼蛄挖掘足爪趾生物信息的数字化拟合

2．4 本章小结

3 仿生挖掘机铲斗的设计

3．1 通用型挖掘机铲斗的介绍

3．1．1 反铲挖掘机工作装置

3．1．2 反铲工作装置挖掘传动原理

3．2 挖掘机铲斗结构件设计原则

3．3 CAT-320D通用型挖掘机铲斗三维模型的建立

3．3．1 CAT-320D通用型挖掘机铲斗信息

3．3．2 CAT-320D通用型挖掘机铲斗斗体三维模型的建立

3．3．3 CAT-320D挖掘机铲斗齿座以及斗齿的模型建立

3．4 仿生铲斗的设计及三维模型的建立

3．4．1 仿生斗齿结构设计

3．4．2 仿生斗体结构设计

3．4．3 反铲挖掘机铲斗结构仿生设计总结

3．5 本章小结

4 斗齿触土过程的显式动力学分析

4．1 斗齿-土壤相互作用的理论基础

4．1．1 土壤的力学性质

4．1．2 土壤切削过程

4．2 基于ANSYS／LS-DYNA显式动力学分析方法

4．2．1 ANSYS／LS-DYNA软件介绍

4．2．2 ANSYS／LS-DYNA显式算法

4．2．3 ANSYS／LS-DYNA分析流程

4．2．4 ANSYS／LS-DYNA接触分析

4．3 单元类型及材料属性

4．3．1 挖掘机斗齿单元类型及材料属性

4．3．2 土壤模型单元类型及材料属性

4．4 有限元模型的建立

4．4．1 CAT-320D反铲挖掘机斗齿有限元模型建立

4．4．2 仿生反铲挖掘机斗齿有限元模型建立

4．4．3 土壤有限元模型的建立

4．5 有限元网格划分

4．6 定义接触类型

4．6．1 创建PARTS

4．6．2 定义接触类型

4．7 初始条件及约束

4．8 仿真结果与分析

4．8．1 同型斗齿不同入土角度对比

4．8．2 土壤总能量分析

4．8．3 土壤切削接触点切削方向应力比较

5 总结与展望

5．1 工作总结

5．2 展望

参考文献

致谢