凹坑形仿生刀齒土壤切削力分析*

劉偉奇,唐亞鳴,顧 瑩,唐李白,田 楊

(河海大學機電工程學院,江蘇常州 213022)

凹坑形仿生刀齒土壤切削力分析*

劉偉奇,唐亞鳴,顧 瑩,唐李白,田 楊

(河海大學機電工程學院,江蘇常州 213022)

土壤對疏浚機具的粘附會增加切削阻力、降低切削效率。土壤動物的非光滑表面為疏浚機具的仿生設計提供了參考。非光滑表面切削土壤具有減阻的作用,針對凹坑形非光滑表面的刀齒切削土壤的的受力情況進行理論分析,建立了其土壤切削模型。利用軟件Fluent進行了凹坑形光滑表面刀齒在土壤切削過程中的力學分析,結果表明:在一定的土壤條件下,與光滑表面刀齒相比,非光滑凹坑形刀齒粘附對土壤粘附力較小,受到的切削阻力也較小。理論分析和與數(shù)值模擬均驗證了非光滑凹坑形仿生刀齒能夠起到預期的減粘減阻的效果。

凹坑形刀齒;受力分析;數(shù)值模擬;減粘減阻

0 引 言

疏浚機具切削土壤[1]過程中受力復雜,除了受到剪斷土壤中的毛細管[2]產生界面負壓粘附力、還有吸泥負壓力[3]以及土壤內聚力等。開發(fā)具有減小切削阻力的刀齒,能提高疏浚的效率和降低能耗。國內外的研究表明一些土壤動物的非光滑表面[4]具有減小阻力的作用。針對仿生刀具刀齒表面非光滑結構單元進行力學分析,探索其減粘減阻[5]的機理。這對仿生疏浚機具的非光滑結構單元的設計、研發(fā)具有指導意義。

1 凹坑形刀齒的受力情況

如圖1為凹坑形刀齒表面載荷集度示意圖。非光滑表面結構有很多中,筆者主要研究凹坑形表面的減粘減阻特性,這里對凹坑形非光滑表面[6]的刀齒的受力情況進行分析[7],假設:①非光滑表面刀齒以勻速V0前進;②切削不發(fā)生斷裂,呈連續(xù)帶狀,土壤變形在彈性范圍內;③土層重力G在非光滑表面均勻分布,載荷集度為q。同時將沿垂直于板面的力設為Q,則有:

圖1 凹坑形刀齒表面載荷集度示意圖

當土體行進到第一個凹坑時,此時受到凹坑后部的擠壓,部分土體脫落在凹坑與刀齒之間。這部分的土壤對土體有支撐作用,令其均布應力為q1,對土體進行分段分析,OP段與PQ段夾角為γ,γ與凹坑的深度h與L0有關,也與土壤的沉陷深度h1有關。

可以把圖1的模型簡化為如圖2所示的梁的靜不定問題。

圖2 凹坑板受力簡圖

M1,M2是斷開截面上的彎矩,T0,T11,T12,T21, T22,T3是分段后各截面支撐點的反作用力。O,P,Q, R點受力分別為T0,T1=T11+T22,T2=T22+T2,T3,這四點的力的總和是為刀齒作用在土層上的法向力N2′, N2′=T0+T1+T2+T3。各段的受力簡圖如圖3所示。

圖3 各段的受力簡圖

式中:I=bh3/12為土層截面的慣性矩;b為土層寬度(仿生刀齒寬度);h′為土層高度。

2 刀具作用在土層的力

如圖4所示,光滑平面刀齒作用在土層上的力包括:作用在剪切面上的法向力N1;作用在剪切區(qū)域的水下壓力引起的力W1;泥土內聚力產生的剪切力C;剪切層的自重產生的重力G;泥土加速度產生的慣性力I0等。

圖4 土層受力示意圖

表1 土壤參數(shù)

(2)脫落土壤作用在土層上的法向力N3,如式(4):

(3)脫落土壤內摩擦力N3tan φ引起的剪切力S3。

(4)脫落土壤內聚力引起的剪切力C′,等于粘聚力剪切強度γc乘以脫落土壤與土層接觸界面的面積。

法向力N3與剪切力 S3構成合力K3,K3sec φ。土層在水平方向和豎直方向受力平衡。水平方向力的平衡為:

土壤內摩擦力剪切力S1=K1sin φ,代入式(1),求出Q、N2′、K2′和Rc值,從而可以求出仿生刀齒切削土壤時受到的阻力,如圖5所示。

圖5 仿生刀齒受力示意圖

式(8)表明:對于一定條件的土壤,當切削條件一定時,推土阻力的變化主要是由于粘附力的變化所致。根據(jù)Fountaine的水分張力理論[8],當土壤有一定水分時,粘附力等于粘附界面水膜的面積和水膜張力的乘積。由于土壤的連續(xù)性,其未與非光滑表面的凹坑處相接觸,較光滑表面接觸面積明顯減小。因此,利用非光滑仿生[9]刀齒,能減小刀齒與土壤接觸界面的接觸面積,從而減小接觸界面水膜[10]的面積,達到減小刀齒切削土壤時的切削阻力的目的。

3 數(shù)值模擬分析

傳統(tǒng)的減阻研究主要通過實驗分析,但是實驗花費的時間長,實驗條件控制難,而且實驗不易探究減阻的機理。借助流體分析軟件Fluent,用數(shù)值模擬的方法分析流體流過凹坑形非光滑表面的流場,剖析凹坑非光滑表明的減阻機理,從而為設計更加有效的仿生絞刀提供理論指導。

流體流過物體表面時,會產生阻力,總阻力FD等于粘性摩擦阻力Ff和壓差阻力Fp之和。摩擦阻力是由于流體粘性引起的,等于作用在物體表面上的切應力在來流方向上的投影總和;壓差阻力由于運動著的物體前后所形成的壓強差所形成的,等于作用在物體表面上的壓力在來流方向上的投影總和。

用R表示凹坑非光滑表面相對于光滑表面的減阻率,R為正值時,表示凹坑表面減阻,R為負值時,表示不減阻。

式中:FD′表示凹坑表面總阻力;FD光滑表面總阻力。

由于阻力主要產生與Z軸方向,其他方向極小,可以忽略,因而計算時只采用Z軸方向上的阻力。模擬結果如表2所列。

減阻效果隨著來流速度的變化而不同,二者變化曲線如圖6。本模擬試驗中,在來流速度為8m/s時,減阻率達到最大值,最大達8.97%。圖7顯示,摩擦阻力隨著速度的增大而增大,而且非光滑表面的摩擦阻力一直小于光滑表面,說明凹坑形非光滑表面可以減小表面的摩擦阻力。分析壓差阻力的變動。

圖8表明,凹坑非光滑面增大了壓差阻力,而光滑表面的壓差阻力恒為0。實際中光滑表面不存在壓強差,故其壓差阻力一直為0,模擬值符合實際情況的,說明模擬結果的可靠。

表2 數(shù)值模擬結果

圖6 凹坑表面減阻效果

圖7 摩擦阻力隨速度的變化

圖8 壓差隨速度的變化

綜上所述,凹坑的存在,可使得摩擦阻力減小,壓差阻力增大,當合理地設計非光滑表面的凹坑布局,使得摩擦阻力的減小量多余壓差阻力的增大量,凹坑非光滑表面即可減阻。由于摩擦阻力為切應力對投影面積的積分,切應力是影響摩擦阻力的大小一個重要因素。利用流體分析軟件Fluent數(shù)值模擬兩表面的切應力分布云圖,如圖9所示。

圖9 兩表面切應力分布云圖

從圖中可看出,在凹坑上游,非光滑表面與光滑表面的剪應力分布基本一致;而凹坑部分,差異開始明顯,凹坑單元內的切應力明顯減小,并且凹坑正下游一小段的切應力也變小。

從圖10所示兩表面切應力分布對比曲線可看出:①在凹坑單元,切應力明顯小于光滑表面;②凹坑處的切應力變化是,從左到右,先降低再增大,最小應力大約發(fā)生在坑底;③由于凹坑的存在,凹坑下游鄰近凹坑的平滑面,切應力也會變小,從而減小整個表面的阻力。

圖10 兩表面切應力分布對比曲線

4 結 語

與光滑平面刀齒相比,凹坑非光滑表面仿生刀齒與土層的接觸面積大幅度減小,且由于凹坑的出現(xiàn),

使得土壤和刀具之間不能形成連續(xù)水膜,仿生刀齒表面發(fā)生負壓粘附力減小,從而使仿生刀齒切削土壤時受到的粘附力和阻力下降。合理的凹坑參數(shù)下,凹坑形仿生刀齒確實能夠達到減粘減阻的目的。

[1] 吳 迪.土壤與水下采挖機具的相互作用研究[D].青島:中國海洋大學,2013.

[2] R E Baier,E G Shafrin,W A Zisman.Adhesion:Mechanisms that assist or impede it[J].Science,1968.1(3860):1360-1368.

[3] S Q Deng,L Q Ren,Y Liu,Z W Han.Tangent Resistance of Soil on Moldboard and the Mechanism of Resistance Reduction of Bionic Moldboard[J].Journal of Binics Engineer 2005,2(1):33-36.

[4] 程 紅,孫久榮,李建橋,等.臭蜣螂體壁表面結構及其與減粘脫附功能的關系[J].昆蟲學報,2002,45(2):175-181.

[5] 佟 金.地面機械觸土部件減粘減阻的仿生改性研究[D].長春:吉林工業(yè)大學,1992.

[6] 任露泉,李建橋,陳秉聰.非光滑表面的仿生降阻研究[J].科學通報,1995,40(19):1812-1814.

[7] Miedema,S.A.The Calculation of the Cutting Forces when Cutting Water Saturated Sand,Basic Theory and Application for 3-Dimensional Blade Movements with Periodically Varying Velocities for in Dredging Usual Excavating Elements.PHD.thesis,Delft,1987,the Netherlands.

[8] E R Fountaine.Investigations into the Mechanism of Soil Adhesion [J].European Journal of Soil Science,1954,5(2):215-263.

[9] 陶 敏.凹坑形仿生非光滑表面減阻和遺傳優(yōu)化研究[D].吉林:吉林大學,2007.

[10] 鄧石橋,任露泉,韓志武.空穴負壓現(xiàn)象的界面拉伸試驗研究[J].農業(yè)機械學報,2004,35(5):165-169.

[11] 趙 軍.凹坑形仿生非光滑表面的減阻性能研究[D].大連:大連理工大學,2008.

Analysis on the Soil Cutting Force of Concave Bionic Blade

LIU Wei-qi,TANG Ya-ming,GU Ying,TANG Li-bai,TIAN Yang
(College of Mechanical&Electrical Engineering,Hehai University,Changzhou Jiangsu 213022,China)

Soil on the dredging machine will increase the cutting resistance and reduce the cutting efficiency.The non-smooth surface of soil animals provides a reference for the bionic design of dredging machines.The non-smooth surface cutting soil has the effect of reducing resistance.The soil cutting model is established according to the stress conditions of the cutter tooth in cutting soil.The mechanics analysis on concave smooth surface cutter in soil cutting process is conducted by using the FLUENT software.The results show that under certain soil conditions,compared with the smooth surface cutter,the adhesion force of the non-smooth concave cutter teeth to soil is less,and the cutting resistance is less.The theoretical analysis and numerical simulation show that the non-smooth concave bionic blade can be expected to reduce the drag reduction.

concave blade;force analysis;numerical modeling;drag reduction

TU411.7

A

1007-4414(2015)05-0042-04

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.05.014

2015-07-30

中央科技高校基本科研業(yè)務費資助項目(編號:2009B29914);2015年國家大學生創(chuàng)新訓練項目(編號:201510294088)

劉偉奇(1993-),男,江西吉安人,研究方向:疏浚機械設計。