仿生半圆柱金属表面及土壤直剪试验研究

杨光明唐亚鸣

(1 合肥职业技术学院，安徽 巢湖 238000）

(2 河海大学，江苏 南京 210098）

仿生半圆柱金属表面及土壤直剪试验研究

杨光明1唐亚鸣2

(1 合肥职业技术学院，安徽 巢湖 238000）

(2 河海大学，江苏 南京 210098）

为检验仿生半圆柱非光滑金属表面的减粘降阻效果，对典型非光滑仿生半圆柱表面试样进行直接剪切试验，得到了在一定的压力条件下剪切力和剪切位移的关系，用最小二乘法求出土样的抗剪强度指标c和φ，绘制刀齿在不同的法向应力作用下剪位移与剪切力的关系图，并进行了比较分析，为切削土壤刀具的表面结构仿生减粘降阻设计提供了依据。

仿生表面；减粘降阻；直接剪切；试验研究

疏浚机械、农业机械等触土机械切削土壤过程中，由于土壤的粘附等原因造成的表面阻力不仅会降低触土机械的生产效率，缩短触土机械的使用寿命，同时也消耗掉了大量的能源。而自然界一些动植物的体表结构具有减少阻力的作用，譬如生活在粘湿土壤中的蜣螂，身体表面布满了凹凸不平的小圆点使其行动自如而身不粘土[1-3]。基于蜣螂的减粘脱附特性，国内外学者提出了几何非光滑表面脱附减阻技术。为了解切土机械仿生刀齿与土壤的切削特性，用疏浚刀齿金属材料对典型半圆柱非光滑表面的试样进行粘性土壤的直接剪切试验，分别测量不同压力作用下土的抗剪强度指标，并比较切削过程中试样所受的粘聚力和摩擦力，以得到不同参数的仿生表面的减粘降阻效果，为仿生刀齿的优化设计提供依据。

1 直接剪切试验原理

仿生半圆柱金属表面与土壤直剪试验是在南京土壤仪器场生产的DJY-4型四联等应变直剪仪上完成的，其主要部件包括：上下剪切盒和推动框、杠杆垂直加荷机构、水平推动座和量力环、直流调速电机、齿轮变速箱(二档位）、台式调速机箱和剪切盒剪切行程自控开关等。其它辅助设备包括有：百分表、环刀、削土刀、不透水塑料膜、透水石等。

仿生半圆柱金属试样的直接剪切试验分为两部分，第一部分为土的直接剪切试验，用来测量被切削土样的抗剪强度指标；另一部分为仿生表面试样的直接剪切试验，分别测量光滑表面试样和仿生表面试样受到的粘聚力和摩擦力，进行分析对比得出仿生表面的减粘脱附性能。

直接剪切试验简称直剪试验，是根据库仑强度理论测定土的抗剪强度的常用方法。直剪试验通常采取四个圆柱状试样(图1），在竖直方向分别施加不同的法向力P，在预定的水平剪切面施加剪切T剪切试样[4]。试验开始时，剪切力T从零开始增加，剪切位移δ也自零随之增加。剪破时，剪切力T达到最大值Tmax，对应剪切破坏面上的剪应力达到抗剪强度，即：

式中：σ—剪切面上法向应力；P—法向力；T—剪切力；A—剪破面面积；

τf—剪破面上抗剪强度；Tmax—试验能承受的最大剪应力；

试验采用四个试样，用不同的法向应力σi作用于竖直方向，得到相应的抗剪强度τfi。将四组(σi，τfi）利用最小二乘法计算出土的抗剪强度指标：内摩擦角φ和粘聚力c。

2 直剪试验试样的制备

土的直剪试验中土样的制备根据试验需要取原状土，再用环刀切削而成。土样的直径为61.2 mm，高度为20 mm。每组试验至少制备四个土样，在四种不同的竖向压力作用下进行剪切试验。竖向压力范围从原则上讲应覆盖原状土从自重应力到自重应力加附加应力的范围，一般可取为：100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa。

仿生表面直剪试验中所用土样的制备步骤与上述相同，需要特别指出的是仿生表面直剪试验中所用土样的高度都是土的直剪试验中土样高度的一半，即土样的直径为61.2 mm，高度为10 mm。试验时，土样装入上剪切盒，刀齿装在下剪切盒。当测量剪切位移δ的百分表读数与土的直剪试验中土样被剪破时百分表的读数相同时，试验结束。

根据直剪试验设备的要求，仿生表面采用圆柱状试样，直径为61.2 mm，高度为11.5 mm，材料为45号钢。普通刀齿的两表面均为光滑平面，仿生刀齿的下表面为光滑平面，上表面为半圆柱形非光滑平面，制备的试样如图2。半圆柱形非光滑曲面的数学表达式为：

式中：R—仿生刀齿上表面圆柱体横截面圆的半径；L1—上表面前端平面部分长度；Lm—上表面两半圆柱体圆心之间的间隔，Lm≥2R；m—上表面半圆柱体的个数，

试样在土壤切削过程中受到的摩擦力主要是由粘附力引起，对于一定条件的土壤，当正压力P一定时，粘附的程度主要取决于接触面积A，接触面积越小，摩擦阻力越小，减粘降阻能力越好。针对上述半圆柱非光滑平面的[5-6]结构参数见表1所示。

试样在数控线切割加工机床上加工而成。首先取直径为70 mm，长度为50 mm的45号钢原材料，在数控机床上编程进行线切割将材料加工成直径为61.2mm的圆柱体，再将其切割成四片高度为11.5mm，两表面均为平面的圆柱状试样。根据表1中的结构参数，在机床的电脑中进行编程加工仿生刀齿的半圆柱形非光滑平面，并将加工好的刀齿用砂纸打磨处理。

3 试验记录和结果分析

直剪试验的记录和结果分析包括直剪试验数据记录和试验数据处理。根据试验数据求出各组试验中所施加的法向应力σ和剪应力τ。

试验设备DJY四联等应变直剪仪中使用了杠杆，比例为12：1。在砝码盘上加上质量为2.54 kg的砝码，相当于在试样的竖直方向施加了300 N的法向力。试样面积A0为30 cm2，根据公式(1）计算得出法向应力σ=100 kpa。即在砝码盘上每加一个质量为2.54 kg的砝码，就相当于在试样竖直方向上施加100 kpa的法向应力。

作用在试样上的剪应力τ可根据以下公式计算[4]。

式中：10—单位换算系数；C—测力计率定系数(N/0.01 mm），取C=1.5；

R—测力计读数(0.01 mm），即钢环变形的数值；A0—试样面积(cm2）。

求出各组试验中法向应力和剪应力后，用最小二乘法求出土样的抗剪强度指标c和φ，绘制刀齿在不同的法向应力作用下剪位移与剪切力的关系图。

根据土的直剪试验记录，土样在试验过程中受到的法向应力和剪应力如表3所示，土壤的粘聚力c=28.5 kpa，内摩擦角φ=14.0362°。

当法向应力σ=200、300 kpa时，光滑表面刀齿和四种半圆柱形刀齿受到的剪切力与剪位移的关系如图2所示。

由图2(a）中可得出，当σ=200 kpa时，半圆柱1、2、4形试样受到的剪切力比光滑表面刀齿大，而半圆柱3形试样受到的剪切力比光滑表面刀齿小，这可以根据非光滑表面设计原理来解释[7]：

半圆柱表面的直剪试验中，在竖直方向施加法向力P，水平方向施加剪切力T，使放置在下剪切盒中的半圆柱形刀齿剪切放置在上剪切盒中的土样，土样由于受到法向力的作用发生沉陷变形。试验结束后，从上剪切盒中取出的土样受到严重的挤压变形以至于碎裂并完全粘附在半圆柱1形试样上，这说明土样的沉陷量大于试样表面的半圆柱体半径2.6962 mm，从而导致土壤完全包住试样表面的凸起部分，充满凸起之间的空隙和底部，增加了粘附力和剪切力。

半圆柱3型试样几何单元的半径相对较大，沉陷的土壤仅与试样表面凸起部分的顶部接触，试样与土壤的接触面积减小，剪切力和阻力变小。凸起部分的底部和土壤之间存在空隙，储存空气，也可以降低大气压力，起到减粘降阻的效果。

半圆柱2形试样和半圆柱4形试样与半圆柱3形试样相比，几何单元个数和几何单元半径增加，与土壤的接触面积相对增加，减粘降阻效果不佳。

随着竖直方向法向应力σ的增大，土壤受到的剪切力也逐渐增大。在σ=200 kpa时，半圆柱1形试样的直剪试验中，土样发生严重沉陷变形使粘附力和剪切力增加，所以在σ=300 kpa时，只采用半圆柱2、3、4形表面进行直剪试验与光滑平面比较。由图2(b）可得出，半圆柱4形试样受到的剪切力最小，减粘降阻能力最好，半圆柱2形试样次之，而半圆柱3型试样再次之。这是因为随着法向力的增大，土壤的沉陷量增大，半圆柱4形试样表面几何单元的半径较大，发生沉陷变形的土壤在半圆柱4形试样的顶部运动，土壤与试样的接触面积减小，减粘降阻的效果最好。

4 结束语

本文对仿生半圆柱金属表面及土壤进行了直剪试验研究，得到了不同结构参数的半圆柱形仿生表面剪切粘性土壤的剪切力和剪切位移的关系，结果表明仿生非光华表面可以产生减粘降阻的效果，试验结果为设计切削不同粘性特性土壤的仿生刀具提供依据。试验表明针对不同的切削压力和不同的土壤特性，需要对土壤刀具的仿生表面结构参数进行优化，以获得比较好的减粘降阻的效果。

参考文献：

[1]Walsh，M.J.Turbulent boundary layer drag reduction using riblets[J].AIAA paper，1982，（82）∶0169.

[2]Neinhuis，C.&Barthlott W.Characterization and distribution of water-repellent，self-cleaning plant surfaces[J].Annals of Botany，1997，（388）∶431-432.

[3]任露泉，陈德兴，胡建国.土壤动物减粘脱土规律初步分析[J].农业工程学报，1990，（1）：15-20。

[4]王保田.土工测试技术[M].南京：河海大学出版社，2000.

[5]Walsh M.J.Drag reduction of V-groove and transverse curvature riblets.In∶Hough GR（ed）Viscous flow drag reduction.Progress in astronautics and aeronautocs[J].AIAA，NewYork，1980，（72）∶168-184.

[6]Walsh M.J.Riblets.In∶Bushnell DM，Hefner JN（eds）Viscous drag reduction in boundary layers.Progress in astronautics and aeronautics[J].AIAA，Washington，1990，（123）∶203-262.

[7]Luquan Ren，Shiqiao Deng，Jingchun Wang，et al.Design Principles of the Non-smooth Surface of Bionic Plow Moldboard [J].Journal of Bionics Engineering，2004，（1）∶9-19.

A STUDY ON THE BIONIC HALF-CYLINDER METALl SURFACE AND SOIL DIRECT-SHEAR TEST

YANG Guang-ming1TANG Ya-ming2
（1 Heifei Technology College，Chaohu Anhui 238000）
（2 Hohai Universty，Nanjing Jiangsu 210098）

In order to test the viscosity-drag effect of non-smooth metal surface of bionic half-cylinder，we take a direct-shear test on the surface of typical non-smooth bionic half-cylinder metal.And we get the relationship between shearing force and shearing displacement under a certain pressure condition.Through the least square method，we get two intensity indexes∶and.According to the relationship between shearing displacement and shearing force as well as comparison analysis，we obtain the basis for the design of soil cutting tools in adhesion reduction and resistance reduction.

bionic surface；adhesion reduction and resistance reduction；direct-shear test；test study

TU411.7

A

1672-2868（2015）06-0088-05

责任编辑：陈小举

2015-10-02

杨光明(1973-），男，安徽合肥人。合肥职业技术学院，高级讲师。研究方向：机械应用。