凹坑形仿生刀齿土壤切削力分析*

刘伟奇,唐亚鸣,顾 莹,唐李白,田 杨

(河海大学机电工程学院,江苏常州 213022)

凹坑形仿生刀齿土壤切削力分析*

刘伟奇,唐亚鸣,顾 莹,唐李白,田 杨

(河海大学机电工程学院,江苏常州 213022)

土壤对疏浚机具的粘附会增加切削阻力、降低切削效率。土壤动物的非光滑表面为疏浚机具的仿生设计提供了参考。非光滑表面切削土壤具有减阻的作用,针对凹坑形非光滑表面的刀齿切削土壤的的受力情况进行理论分析,建立了其土壤切削模型。利用软件Fluent进行了凹坑形光滑表面刀齿在土壤切削过程中的力学分析,结果表明:在一定的土壤条件下,与光滑表面刀齿相比,非光滑凹坑形刀齿粘附对土壤粘附力较小,受到的切削阻力也较小。理论分析和与数值模拟均验证了非光滑凹坑形仿生刀齿能够起到预期的减粘减阻的效果。

凹坑形刀齿;受力分析;数值模拟;减粘减阻

0 引 言

疏浚机具切削土壤[1]过程中受力复杂,除了受到剪断土壤中的毛细管[2]产生界面负压粘附力、还有吸泥负压力[3]以及土壤内聚力等。开发具有减小切削阻力的刀齿,能提高疏浚的效率和降低能耗。国内外的研究表明一些土壤动物的非光滑表面[4]具有减小阻力的作用。针对仿生刀具刀齿表面非光滑结构单元进行力学分析,探索其减粘减阻[5]的机理。这对仿生疏浚机具的非光滑结构单元的设计、研发具有指导意义。

1 凹坑形刀齿的受力情况

如图1为凹坑形刀齿表面载荷集度示意图。非光滑表面结构有很多中,笔者主要研究凹坑形表面的减粘减阻特性,这里对凹坑形非光滑表面[6]的刀齿的受力情况进行分析[7],假设:①非光滑表面刀齿以匀速V0前进;②切削不发生断裂,呈连续带状,土壤变形在弹性范围内;③土层重力G在非光滑表面均匀分布,载荷集度为q。同时将沿垂直于板面的力设为Q,则有:

图1 凹坑形刀齿表面载荷集度示意图

当土体行进到第一个凹坑时,此时受到凹坑后部的挤压,部分土体脱落在凹坑与刀齿之间。这部分的土壤对土体有支撑作用,令其均布应力为q1,对土体进行分段分析,OP段与PQ段夹角为γ,γ与凹坑的深度h与L0有关,也与土壤的沉陷深度h1有关。

可以把图1的模型简化为如图2所示的梁的静不定问题。

图2 凹坑板受力简图

M1,M2是断开截面上的弯矩,T0,T11,T12,T21, T22,T3是分段后各截面支撑点的反作用力。O,P,Q, R点受力分别为T0,T1=T11+T22,T2=T22+T2,T3,这四点的力的总和是为刀齿作用在土层上的法向力N2′, N2′=T0+T1+T2+T3。各段的受力简图如图3所示。

图3 各段的受力简图

式中:I=bh3/12为土层截面的惯性矩;b为土层宽度(仿生刀齿宽度);h′为土层高度。

2 刀具作用在土层的力

如图4所示,光滑平面刀齿作用在土层上的力包括:作用在剪切面上的法向力N1;作用在剪切区域的水下压力引起的力W1;泥土内聚力产生的剪切力C;剪切层的自重产生的重力G;泥土加速度产生的惯性力I0等。

图4 土层受力示意图

表1 土壤参数

(2)脱落土壤作用在土层上的法向力N3,如式(4):

(3)脱落土壤内摩擦力N3tan φ引起的剪切力S3。

(4)脱落土壤内聚力引起的剪切力C′,等于粘聚力剪切强度γc乘以脱落土壤与土层接触界面的面积。

法向力N3与剪切力 S3构成合力K3,K3sec φ。土层在水平方向和竖直方向受力平衡。水平方向力的平衡为:

土壤内摩擦力剪切力S1=K1sin φ,代入式(1),求出Q、N2′、K2′和Rc值,从而可以求出仿生刀齿切削土壤时受到的阻力,如图5所示。

图5 仿生刀齿受力示意图

式(8)表明:对于一定条件的土壤,当切削条件一定时,推土阻力的变化主要是由于粘附力的变化所致。根据Fountaine的水分张力理论[8],当土壤有一定水分时,粘附力等于粘附界面水膜的面积和水膜张力的乘积。由于土壤的连续性,其未与非光滑表面的凹坑处相接触,较光滑表面接触面积明显减小。因此,利用非光滑仿生[9]刀齿,能减小刀齿与土壤接触界面的接触面积,从而减小接触界面水膜[10]的面积,达到减小刀齿切削土壤时的切削阻力的目的。

3 数值模拟分析

传统的减阻研究主要通过实验分析,但是实验花费的时间长,实验条件控制难,而且实验不易探究减阻的机理。借助流体分析软件Fluent,用数值模拟的方法分析流体流过凹坑形非光滑表面的流场,剖析凹坑非光滑表明的减阻机理,从而为设计更加有效的仿生绞刀提供理论指导。

流体流过物体表面时,会产生阻力,总阻力FD等于粘性摩擦阻力Ff和压差阻力Fp之和。摩擦阻力是由于流体粘性引起的,等于作用在物体表面上的切应力在来流方向上的投影总和;压差阻力由于运动着的物体前后所形成的压强差所形成的,等于作用在物体表面上的压力在来流方向上的投影总和。

用R表示凹坑非光滑表面相对于光滑表面的减阻率,R为正值时,表示凹坑表面减阻,R为负值时,表示不减阻。

式中:FD′表示凹坑表面总阻力;FD光滑表面总阻力。

由于阻力主要产生与Z轴方向,其他方向极小,可以忽略,因而计算时只采用Z轴方向上的阻力。模拟结果如表2所列。

减阻效果随着来流速度的变化而不同,二者变化曲线如图6。本模拟试验中,在来流速度为8m/s时,减阻率达到最大值,最大达8.97%。图7显示,摩擦阻力随着速度的增大而增大,而且非光滑表面的摩擦阻力一直小于光滑表面,说明凹坑形非光滑表面可以减小表面的摩擦阻力。分析压差阻力的变动。

图8表明,凹坑非光滑面增大了压差阻力,而光滑表面的压差阻力恒为0。实际中光滑表面不存在压强差,故其压差阻力一直为0,模拟值符合实际情况的,说明模拟结果的可靠。

表2 数值模拟结果

图6 凹坑表面减阻效果

图7 摩擦阻力随速度的变化

图8 压差随速度的变化

综上所述,凹坑的存在,可使得摩擦阻力减小,压差阻力增大,当合理地设计非光滑表面的凹坑布局,使得摩擦阻力的减小量多余压差阻力的增大量,凹坑非光滑表面即可减阻。由于摩擦阻力为切应力对投影面积的积分,切应力是影响摩擦阻力的大小一个重要因素。利用流体分析软件Fluent数值模拟两表面的切应力分布云图,如图9所示。

图9 两表面切应力分布云图

从图中可看出,在凹坑上游,非光滑表面与光滑表面的剪应力分布基本一致;而凹坑部分,差异开始明显,凹坑单元内的切应力明显减小,并且凹坑正下游一小段的切应力也变小。

从图10所示两表面切应力分布对比曲线可看出:①在凹坑单元,切应力明显小于光滑表面;②凹坑处的切应力变化是,从左到右,先降低再增大,最小应力大约发生在坑底;③由于凹坑的存在,凹坑下游邻近凹坑的平滑面,切应力也会变小,从而减小整个表面的阻力。

图10 两表面切应力分布对比曲线

4 结 语

与光滑平面刀齿相比,凹坑非光滑表面仿生刀齿与土层的接触面积大幅度减小,且由于凹坑的出现,

使得土壤和刀具之间不能形成连续水膜,仿生刀齿表面发生负压粘附力减小,从而使仿生刀齿切削土壤时受到的粘附力和阻力下降。合理的凹坑参数下,凹坑形仿生刀齿确实能够达到减粘减阻的目的。

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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业务费资助项目(编号:2009B29914);2015年国家大学生创新训练项目(编号:201510294088)

刘伟奇(1993-),男,江西吉安人,研究方向:疏浚机械设计。