基于Creo的仿生馬鈴薯培土器設計及仿真分析

姚永亮 沈鵬 魏光程

摘要：針對云南省丘陵山地中馬鈴薯種植區(qū)地形復雜、土壤黏性較大、培土阻力大等特點，在現有市場培土器的基礎上對其進行仿生優(yōu)化設計，目的是為了減小培土過程中的阻力，降低微耕機功率消耗。前期工作包括對馬鈴薯種植區(qū)的耕作條件及土壤相關數據的采集，以及農機市場的調研等。然后利用Creo軟件對培土器進行三維建模，進行導曲線擬合優(yōu)化，添加仿生凸包。該培土器的設計適用于60～75 cm的壟距作業(yè)，通過仿生優(yōu)化之后，有效減小了土壤的黏附，降低了450 N的培土阻力，減阻率達到37.5%，培土效果符合相關的馬鈴薯種植農藝要求。

關鍵詞：Creo建模;導曲線擬合;仿生凸包;培土器;馬鈴薯

馬鈴薯是我國繼小麥、水稻、玉米之后的第四大作物[1-2]，也是云南省傳統的種植作物。在馬鈴薯的種植過程中，中耕培土作業(yè)是必不可少的環(huán)節(jié)，培土質量的好壞直接關系著馬鈴薯的生長和質量[3]。云南省農用地多為丘陵山地，馬鈴薯種植區(qū)表現地塊小、地形復雜等特點，兼之云南省黏重土壤面積高達245 hm2，這種土壤因其含水率的不同而表現出不同的性狀：當含水率高時，土壤黏性增大，容易產生壅土，同時使得培土部件的黏附增大;當土壤干燥時，容易結塊，又使得挖掘碎土阻力增大[4]。這些因素使得大型農機無法適用，而小型農機卻又存在動力不足等問題。因此對馬鈴薯培土器進行優(yōu)化設計，以實現培土過程中的減黏降阻就顯得尤為重要。

云南省馬鈴薯栽培模式也不盡相同，依據不同區(qū)域特點、種植習慣等因素主要形成了壟作、平作、單壟單行、單壟多行等種植模式，并且人工起壟占很大比重，壟行也很難有統一標準，因此培土器很難有固定的類別。筆者所在課題組設計了一種馬鈴薯培土器，適用于單壟單行、壟距為60～75 cm的種植模式。

1 整體結構及工作原理

1.1 總體結構設計

馬鈴薯培土器結構如圖1所示。該培土器主要由左右側板、仿生凸包、支撐板、底板以及深度調節(jié)桿組成。整體結構簡單緊湊，各零件之間通過焊合連接在一起。培土器通過深度調節(jié)桿與微耕機的牽引機架相連接。

1.2 工作原理

馬鈴薯培土器主要用于馬鈴薯的中耕管理階段，一般來說整個中耕管理階段需要1～2次培土。

培土時鏟尖入土并破碎土壤，同時鋤掉壟行間的部分雜草，隨后土壤沿著培土器的表面不斷被抬升并且到達培土器翼部，到達翼部時，在土壤的重力以及翼部曲面提供推力的共同作用下，土壤將會被推向壟邊以及拋向壟頂，達到松土、覆蓋肥料和除雜草、培土、修壟的目的。

2 培土器關鍵部件以及主要參數的設計

2.1 培土器側板設計

以培土器的右側板為例，培土器曲面繪制和犁體曲面一樣，可以看做是犁體曲面的一種。目前，曲面繪制的方法主要由水平直元線法、傾斜直元線法、曲元線法和翻土曲線法等幾類[5]。該培土器側板是采用水平直元線法利用三維制圖軟件Creo繪制而成的（圖2）。

2.1.1 導曲線的確定 現代仿生學表明，生物經過長期的演變，其身體構造、體表特征已進化得與所處環(huán)境極為契合。長期生存于土壤環(huán)境中的田鼠，其爪趾結構特征能夠成功減小田鼠在挖掘土壤時的阻力。該培土器側板的導曲線則利用已有的學者研究成果[6]，對田鼠爪趾內輪廓曲線進行擬合，并截取其中一段，導曲線方程為：

又因馬鈴薯中耕培土的耕深要求為100～150 mm，因此截取導曲線的開度L=128.5 mm，導曲線高度L1為170 mm。L1與L的比值即縱深比為0.76較符合相關的理論研究[7]，入土角為30°。

2.1.2 元線角及元線長 元線角采用拋物線中的某段函數線型再根據壟形進行適當調整，元線角方程為：? Y=0.001 4x2-0.098 1x+33.755（22.5? ?調整后的元線曲線與元線角相識度r2=0.95，其中θmin為30°，θmax為58°。

自下而上所取元線編號依次定義為1～10，其參數見表1。

2.2 仿生凸包的設計

相關研究表明，某種非光滑表面的減阻與脫附效果要優(yōu)于光滑表面，朱鳳武經調查研究得出幾何非光滑體表是土壤動物減黏降阻的原因之一[8]。本研究以蜣螂球冠凸包為原型，借用前人的研究結果，來設計仿生凸包，以實現培土過程中的減黏降阻[9-10]。

凸包的直徑D擬取為4 mm（蜣螂球冠凸包的底邊的平均直徑近似于3.87 mm），球冠高度h=D×（1-1.732÷2）。

h擬取為0.536 mm，考慮到加工等因素，因此將在球冠模型基礎尺寸上同時擴大5倍，得底邊直徑為20 mm的圓，高為2.68 mm的球冠模型，即為仿生凸包的基本尺寸（圖3）。

在軟件Creo中利用命令“展平面組”以培土器側板的最下端為基點對曲面進行展平面，在展開后的平面上，仍是以下端點為定位中心，首個凸包的定位尺寸為長50 mm、高25 mm，剩下凸包則以命令“填充陣列”進行間距尺寸35 mm、邊界距離20 mm，繞旋轉中心為15°的方式進行生成，仿生凸包繪制完成后，通過命令“展平面組變形”將展開的平面還原到原曲面。

3 仿真處理

3.1 培土器材料選用

為研究及驗證培土器培土過程中的動態(tài)特性，我們通過ANSYS中的LS-DYNA模塊對2種培土器進行仿真及動力學分析。

根據相關資料[11]，2種培土器材料均選用 65 Mn，材料模型見表2。

土壤特性較為復雜，具有非線性、彈塑性、黏彈性及流變性等特征。又因云南省本地土壤黏性強、比阻大，因此對于土壤模型的選用選取LS-DYNA中的MAT147材料[12]，土壤模型參數見表3。

土壤模型的尺寸選為500×600×230 mm，因為土壤形狀比較簡單，因此，直接在ANSYS軟件中構建。

3.2 仿真結果

根據相關農藝要求，馬鈴薯培土過程中，入土深度為100～150 mm，因此2種模型得入土深度統一定為130 mm，再根據田間實測的數據，設定2個模型的初始速度皆為0.5 m/s（圖4）。

導出K文件并通過ANSYS LS-DYNA求解器進行求解計算，通過LS-PREPOST查看求解結果如圖5、圖6所示。

從圖5、圖6可以看出，培土器在培土過程中的阻力不斷增大，最終趨于穩(wěn)定并在某一范圍內來回波動;這是因為在整個切削土壤的過程中，首先是培土器入土部件接觸土壤，隨著時間的推移，切削面積不斷增大，最終當切削面積不再變化時，培土阻力也將穩(wěn)定在某一范圍內來回波動，造成這種波動的原因是導曲線的曲率是在不斷變化的，同時土壤單元在其上滑動的過程中會出現應力變化。原培土器在0～0.6 s內阻力在逐漸增大，最大值為 1 525 N，平均值在1 200 N左右波動;仿生培土器在 0～0.4 s 內阻力不斷增大，最大值為 1 076.8 N，平均值在750 N左右波動。

4 結論

本研究提出了一種基于Creo軟件設計的馬鈴薯仿生培土器，具有結構簡單、緊湊，耕深可在一定范圍內調節(jié)的特點。但適用范圍具有一定的局限性，僅適用于壟距為65～75 cm的種植模式。

仿生培土器主要是對導曲線以及培土器曲面進行了仿生優(yōu)化，并且通過仿生優(yōu)化成功達到了減阻的目的，由原來的1 200 N左右減少至750 N左右，減阻率約為37.5%。

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