装载机铲斗的仿生设计及有限元分析_郭志军

第28卷第5期2007年　10月河南科技大学学报:自然科学版Journa l o fH enan U ni ve rsit y o f Science and T echno l ogy :N atura l Sc i ence V o.l 28N o .5O c.t 2007基金项目:河南省科技攻关项目(0424220152);河南省科技计划项目(0623021300)作者简介:郭志军(1970-),男,山西晋城人,副教授,工学博士,主要研究方向为特种车辆研究、设计与制造.收稿日期:2007-02-02文章编号:1672-6871(2007)05-0018-03装载机铲斗的仿生设计及有限元分析郭志军,陈海燕,邓志强(河南科技大学车辆与动力工程学院,河南洛阳471003)摘要:以装载机铲斗为研究对象,在对铲斗结构进行简化的基础上,借助田鼠爪趾弯曲轮廓形状的测定结果,设计了一种仿生装载机铲斗。

通过有限元分析,研究了铲斗在铲装土壤的仿真过程中对土壤的扰动情况,即土壤单元在水平方向的位移和在垂直方向的位移,结果表明所设计的仿生装载机铲斗具有一定的减阻效果,从仿生学的角度为装载机铲斗的高效节能改进设计作了有益的探索。

关键词:装载机铲斗;仿生;设计;有限元中图分类号:U415.514;O241.82文献标识码:A0　前言某些动物爪趾经过长期进化,逐步形成了具有特定曲率的弯曲形状,表现出优良的减阻功能。

这为改进触土工作部件触土面的几何形状,乃至优化其在工作中的力学性能提供了仿生研究的基础[1-2]。

本文借助田鼠爪趾弯曲轮廓形状的测定结果,设计了一种仿生装载机铲斗,通过I -DE AS 进行有限元分析,并与某厂生产的装载机铲斗的分析结果做了比较,对仿生装载机铲斗的研究与开发做了初步的探索。

1　切削工具-土壤接触系统的分析模型有限元法(FE M )已成为最近十多年在切削工具—土壤接触系统研究中应用最多的分析方法[2-6],由于它们普遍考虑了切削工具—土壤接触系统几何、物理及边界非线性问题,使得这些有限元分析的结果要比以往的模型预测值更接近于实测值。

将有限元法正确用于切削过程的动态模拟需考虑以下两个问题:(1)选择合适的土壤应力—应变本构关系;(2)采用合理的切削部件—土壤相互作用的计算模型。

目前应用最多的两种土壤本构关系为Duncan -chang 的双曲线应力—应变本构关系和Drucker -p r age r 非线性弹塑性本构关系,它们大都能够给出满足适当精度要求的结果[4-5]。

装载机工作过程中,被切削材料的应力—应变关系往往表现出明显的非线性特征,为简化计算,根据所研究的具体情况,按照图1所示的方式将其简化为理想的弹塑性材料本构关系,采用Von M ises 屈服准则,而且暂不考虑工作速度的影响[7]。

因为装载机铲斗横向尺寸较宽,几何结构具有对称性,而且根据装载机铲斗的工作特点及有限元分析方法,适于将其简化为二维模型进行分析。

为简化计算,在本次的分析模型中,将装载机铲斗简化成由斗底、斗前壁、斗后壁及防溢板组成的二维模型。

图2为某厂生产的装载机铲斗原型的纵剖面的二维简图,其中防溢板、斗后壁和斗前壁为直线,而斗底部分为固定半径的圆弧。

图3为本研究所用一田鼠左前爪中趾的照片(为便于分析和测量,拍照中照相机的视线与爪趾纵剖面保持垂直)[2]。

图4中虚线部分为根据图3所示的爪趾内轮廓线设计的仿生装载机铲斗的纵剖面二维简图。

本设计的设计思路是改进装载机铲斗的斗底,用仿生曲线经适当的比例变换后代替原装载机铲斗的斗底曲线。

图4中实线部分为某厂原铲斗模型,由图可知,本次改进设计对原铲斗的斗容相对改动不超过2%。

由于土壤是一种非常复杂的散体材料,而且各地土壤性质千变万化、各不相同,做出适用于所有土壤的研究也不现实。

本文所用土壤的物理性质数据取自中国一拖技术中心大型土槽内经过适当调配的土壤,具有一定的代表意义。

土壤泊松比为0.15,弹性模量为1250kPa ,剪切模量为543.478kPa ,切削第5期郭志军等:装载机铲斗的仿生设计及有限元分析工具—土壤摩擦角为24°。

图5为去掉边界约束条件后装载机铲斗—土壤相互作用的二维有限元模型。

装载机铲斗—土壤的接触造型及有限元分析的前后处理及运算均由I -DEAS 软件来完成。

装载机铲斗和土壤的网格划分均采用薄壳四边形等参单元。

装载机铲斗—土壤相互作用的二维有限元模型,接触界面采用0.1mm 的二维间隙单元来模拟,并考虑摩擦的影响,摩擦因数为0.445。

对土壤模型底部和两端单元的位移完全限制,装载机铲斗x 方向位移自由,其余自由度完全限制,并对其施加3N 的水平力。

各有限元模型主要计算参数也相同,如表1所示[2]。

在上述条件相同的情况下,变换铲斗的触土面曲线,分析不同的铲斗模型对土壤的扰动情况,即土壤在水平方向、垂直方向的位移。

图5　装载机铲斗—土壤相互作用二维有限元模表1　切削工具—土壤相互作用有限元计算用参数项目计算参数数据来源土壤内摩擦角/(°)31.4583直接剪切实验土壤内聚力/kPa30.4直接剪切实验土壤-切削工具摩擦角/(°)24文献[7]土壤弹性模量/kPa1250直接剪切实验土壤剪切模量/kPa543.478直接剪切实验土壤泊松比0.15文献[7]2　有限元分析结果与讨论图6,图7是仿生装载机铲斗在斗前壁与地面呈3°角时水平推进的有限元分析结果。

图中箭头的长短和方向分别表示相应位置土壤单元位移的大小和方向。

图6为水平方向位移场;图7为垂直方向的位移场。

在图7中可以看出,土壤单元在铲斗触土面的附近均在垂直方向呈向上运动的趋势,而在离铲斗稍远的前方向下运动,土壤向上以及向前的运动是我们所希望的,这是铲斗所做的有用功,而土壤向下运动则不是我们所希望,这会造成前方土壤的压实,使土壤出现硬底层,即铲斗所做的无用功,设法 19增加所设计装载机铲斗能够做的有用功,减少相应的无用功就是本研究的基本原则或评价标准。

此次有限元分析分别计算了装载机铲斗在切削深度为400,450,500,550,600,650mm(从装载机斗前壁到防溢板的最上端的高度轮廓尺寸为968mm)时对土壤单元产生的扰动的情况,具体结果如图8～10(图中……某厂模型,———仿生模型)所示。

从图中可以看出,在相同的铲斗主动水平推力下,铲斗对土壤单元在水平方向和垂直方向的扰动均随切削深度的增加而减小,这些分析结果与实际情况都是定性的符合的。

若各有限元模型输入功率都相同,切削工具本身的运动功率、切削工具-土壤接触界面摩擦功率近似相等,则在各有限元模型中,不同的铲斗曲面对触土面前方的土壤的扰动不尽相同。

据此分析,本文以切削面前方土壤单元的最大水平位移和最大垂直位移作为评价指标来衡量不同装载机铲斗的力学性能的优劣。

从图8～10中可以看出在上述前提条件相同的情况下,仿生铲斗工作时,水平方向和垂直正方向均产生了相对较大的位移(本文规定向上为垂直方向正方向,向下为垂直方向负方向),而在垂直负方向产生了相对较小的位移;即在上述前提条件相同的情况下,仿生铲斗可以使土壤向前、向上移动更大的距离,而向下移动较小的距离,也就是可以做更多的有用功,更少的无用功。

根据参考文献[2],这是因为仿生曲线具有变曲率特性,当被切削材料沿着这样的曲面移动时,被切削材料内部压力将会不停地发生波动,这将有利于被切削材料特别是土壤类散体材料的抗剪切能力降低,从而变得容易破碎,易于切削。

3　结论从仿生学角度探讨了装载机铲斗的几何结构优化设计问题。

有限元分析结果表明,在对原铲斗几何形状及斗容改动较小的情况下,所设计的仿生铲斗具有较高的切削效率,即在输入功率相同的情况下,仿生铲斗可获得较大的推进位移。

其原因是由于仿生铲斗工作过程中能够使其对触土面前上方的土壤所做的扰动有用功增加,对底部土壤所做的压实无用功减小。

(下转第32页)参考文献:[1]　K o sala R,B l ockee lH.W eb M i ning Re search A Survey[J].AC M SI GKDD Explorati ons,2000,2(1):1-15.[2]　H ahs,B ae s m,P ark S C.W eb M ini ng f o r D istance Educati on[J].IEEE,2002(2):715-759.[3]　张云涛,龚　珍.数据挖掘原理与技术[M].北京:电子工业出版社,2004:120-142.[4]　王凤琦,胡　渊.网络教学评价体系的特征、模型及过程[J].现代远程教育研究,2006(2):30-33.[5]　杨清莲.W eb挖掘技术及其在网络教学评价中的应用[J].南京工业大学学报,2005(9):51-53.[6]　马希荣,孙华志.数据挖掘技术在教学评价中的应用[J].计算机工程与应用,2003(19):100-103.[7]　乔向杰.基于W eb和数据挖掘的I TS系统的设计与实现[J].计算机系统应用,2005(7):13-15.[8]　In m onBu ildi ng W H.T he D a taW a rehouse[M].北京:机械工业出版社,2003:255-299.[9]　S i d Ade l m an.I m possi b l e D a t a W a rehouse S ituations:So l uti ons from t he Experts[M].北京:电子工业出版社,2004:268-380.(上接第20页) 需要说明的是,作者研究了多种仿生装载机铲斗模型,限于篇幅,只给出了其中性能相对较好的一种仿生模型。

另外由于计算条件的限制,暂没有考虑装载机铲斗工作速度对分析结果的影响,这是本次有限元分析的不足之处,而且有限元分析结果需要进一步的实验验证。

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Then covariance be t w een VaR(ES)and fisca l variables and linear r egressions abou t VaR(ES)on8fisca l variab les are calculated t o ve rify the hypo t h eses.The results sho w V aR(ES)is r e m a r kably corre lati v e to fisca l variab les as a whole,and the size o f the co r poration and pr oducti v eness ar e negative corre lati v e to VaR and ES. Key wor ds:V alue at risk;Expec t e d shortfall;F isca l variable;Re m arkab l y co rrela tiveCLC nu m ber:F830.99 D ocument code:A Arti c l e I D:1672-6871(2007)05-0021-04 Appli c ati o n of Em beddedW eb Server Based on ARM(25)…………………………………………DU Zhe,ZHANG Luo-Ping,HUANG Xiao-Dong　(E lectro m ec han ic a lE ngineering College,Henan Un i v ersity of Scie nce＆Technol o gy,Luoyang471003,Ch i n a)Abstract:This paper introduces the design o f t h e e m bedded W eb se r ver and analyzes its concrete app lication techniques.Then it also prov ides a de tailed w orking fl o w o f conceiv i n g the e m bedded W eb serve r o f high perfor m ance and cr edi b ility based on the hardw ar e terrace o f the m icroprocesso r S3C44B0X o f32-b itAR M. The uc linux as e m bedded ope r a tion sy ste m is se l e c t e d.Key wor ds:Co m pute r techno l o gy;W eb server;Em bedded;CG I;Uc linuxCLC nu m ber:TP393;TH7 Docu m ent code:A Arti c l e I D:1672-6871(2007)05-0025-04。