具有鳞片形仿生微结构的插秧机船板底面减阻机理研究
结题报告
批准号:
51305282
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
26.0 万元
负责人:
邬立岩
依托单位:
学科分类:
E0507.机械仿生学与生物制造
结题年份:
2016
批准年份:
2013
项目状态:
已结题
项目参与者:
任文涛、宋玉秋、吕双双、单葆成、刘文杰
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中文摘要
插秧机船板与水田泥水层之间存在较大的滑行阻力,能源浪费严重,传统方法试图降低船板自重或改进整体结构,但不足以改善船板底面的流体润滑效果,减阻性能差。本研究从仿生学角度,以典型鱼类鳞片所具有的储存润滑液体和减阻功能的微结构作为生物原型,对船板进行流体润滑减阻研究。首先,采用扫描电镜,进行鳞片表面的形貌、结构分析,确定主要特征参数,建立仿生微结构船板表面的可视模型;然后,通过离散元与有限元方法相结合,分析在水田条件下,仿生船板底面的流体力学特性,揭示有颗粒分布的流体润滑膜成形规律;建立仿生船板底面的流体润滑膜的数学模型,对润滑膜的膜厚与膜压进行数值分析,揭示减阻机理。最后,对船板表面的微结构及其整体分布进行仿生设计,通过土槽电测拖曳试验,测试船板的减阻效果,进一步优化参数,达到最优减阻效果。本研究通过仿生微结构改善船板底面的摩擦学特性,探索流体润滑膜减阻的仿生学途径,为插秧机减阻研究奠定基础。
英文摘要
There is sliding resistance existing between the rice transplanter floating plate and paddy surface and lead to the huge loss of energy. Traditional methods of drag reduction were trying to decrease the deadweight of the floating plate or optimize the overall structure, but those were less-effective to guarantee the perfect lubrication function of the plate undersurface and generate a good effect of drag reduction. In the bionic way, study on the fluid lubrication drag reduction is carried out base on some typical fish scaly microstructure which can reserve the lubricating fluid and reduce the resistance. First, the morphology, structural feature and distribution of the scales are analyzed through the Scanning Electron Microscope (SEM), after that the 3D visual structure models are built. Then, by combining the Discrete Element Method (DEM) and Finite Element Method (FEM), the fluid mechanics characteristics under the bionic floating plate are analyzed under the paddy condition, the formation rules of the fluid lubrication film is able to be figure out. Then the mathematical model of the fluid lubrication film is set up, following by numerical analysis of the thickness and pressure of the film, and the mechanism of drag reduction is illustrated. Finally, bionic design of the microstructure and related conditions of its distribution is accomplished, and in order to obtain the best reduction of drag effect, the electrical pulling tests and some further parameters optimization should be fulfilled in soil-bin. This subject aims at improving the tribological property of the floating plate undersurface and reducing the sliding resistance through a bionic way, and lays the foundation of the rice transplanter research about drag reduction.
本项目按照研究计划,全面完成了任务书中的既定科研任务。.在流体介质生物减阻特性及机制方面,通过对鱼鳞表面宏、微结构测试与分析,获取了 Ctenopharyngodon idellus 鱼鳞表面“月牙型”单元体的微观几何特征尺寸、整体分布特征与规律,建立了3D几何简化模型。利用有限元流体力学理论计算分析了鳞片表面流体力学特性,模拟分析了表面“储液”区域及流体润滑膜的形成过程。对比计算分析了仿生表面与普通表面的粘附阻力、压差阻力和总滑行阻力。揭示了 Ctenopharyngodon idellus 鳞片表面形态对阻力的影响机理。利用离散元软件EDEM建立了水田泥土的离散颗粒模型,构建了水田机械部件表面与水田饱和泥土层相接触的力学模型,对机械触泥部件表面进行了仿鱼鳞微结构表面减阻设计;对水田饱和泥土层-机具交互作用过程进行了仿真分析,获取了样件所受切向剪切力、泥水颗粒运动轨迹及不同分布规律。运用流体润滑理论和摩擦学理论对水田机械触泥部件仿生微结构表面的减阻机理进行了分析。分析得出:对比光滑表面样件,仿生样件可以更好的改善润滑条件,形成流体润滑效果;减少接触面积;改变摩擦系数并改变泥水运移方式,进而实现减阻。采用数控雕刻加工方法,制备了仿生减阻船板样件,并通过自行设计和搭建的滑行阻力土槽精确电测装置,进行了拖拽阻力试验分析。采用试验优化设计技术,获得了最佳减阻参数组合。在水田环境中,对比普通插秧机船板样件,仿鱼鳞减阻样件实现减阻4%的效果。.研究成果为解决水稻插秧机船板功率消耗问题奠定前期基础。在本项目基础上,申获了辽宁省教育厅“高等学校杰出青年学者成长计划”项目;国家留学基金委访问学者资助项目,赴英国Nottingham大学开展相关研究的访学交流。目前,发表高水平学术论文6篇,其中SCI收录2篇(分别为RSC advanced和Chinese Science),EI 收录1篇;申请国家发明专利2件(已受理),实用新型专利3件(已授权),培养博士研究生1名,硕士研究生4人。参加国际会议1次并做学术报告,参加国内会议1次并做学术报告。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
DOI:--
发表时间:2015
期刊:International Agricultural Engineering Journal
影响因子:--
作者:Wu Liyan;Kong Aiju;Xin Mingjin;Ren Wentao
通讯作者:Ren Wentao
DOI:--
发表时间:2016
期刊:沈阳农业大学学报
影响因子:--
作者:崔红光;齐胜;刘峰;任文涛
通讯作者:任文涛
DOI:--
发表时间:2016
期刊:沈阳农业大学学报
影响因子:--
作者:宋玉秋;任文涛;王冰媛;刘兰新
通讯作者:刘兰新
DOI:--
发表时间:2015
期刊:RSC advanced
影响因子:--
作者:Yuqiu Song;Mingjin Xin;Shichao Niu;Zhiwu Han
通讯作者:Zhiwu Han
DOI:--
发表时间:2017
期刊:SCIENCE CHINA Technological Sciences
影响因子:--
作者:SONG YuQiu;REN WenTao;NIU ShiChao;HAN ZhiWu
通讯作者:HAN ZhiWu
面向水田机械自润滑减阻的泥鳅体表黏液吸附保持机理研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    54万元
  • 批准年份:
    2022
  • 负责人:
    邬立岩
  • 依托单位:
国内基金
海外基金