張智泓，陳朝陽，賴慶輝，孫文強，謝觀福，佟 金
仿生布利岡結構農機耐磨觸土部件設計與試驗
張智泓1，陳朝陽1，賴慶輝1※，孫文強1，謝觀福1，佟 金2,3
（1. 昆明理工大學現代農業工程學院，昆明 650500；
2. 吉林大學生物與農業工程學院，長春 130022；
3. 吉林大學工程仿生教育部重點實驗室，長春 130022）
針對農機觸土部件易磨損失效這一難題，該研究設計了一種仿生布利岡結構件，并對其磨損特性進行評價，進一步探索耐磨機理。以布利岡結構的結構單元直徑、層間螺旋角度、層間重疊間距3個因素設為自變量，以磨損量為響應值，在EDEM中進行仿真磨損試驗，根據自變量與響應值之間的關系，優化布利岡結構的組成參數，得到最優的組成參數為：結構單元直徑1.0 mm、層間螺旋角度16°、層間重疊間距0.13 mm，在此參數下經仿真磨損試驗得到布利岡結構件的磨損量為2.13×10-6g。對光滑件、單層棱紋件、布利岡結構件的耐磨效果，進行仿真磨損對比試驗，結果表明，布利岡結構件較單層棱紋件磨損量減少了90.6%，較光滑件減少了92.2%。運用離散元法（digital elevation model, DEM）與有限單元法（finite element method, FEM）聯合仿真，得到樣件內部形變和應變，光滑件、單層棱紋件、布利岡結構件的平均變形量分別為1.62×10-9、7.97×10-9和1.82×10-8mm；
平均等效應力為1.16×10-6、6.36×10-6和1.01×10-5MPa。布利岡結構件內部形變和所受應力較大，這一變化有助于吸收顆粒沖擊能量，減小磨損。利用光固化打印技術加工樣件，利用旋轉式試驗機和掃描電子顯微鏡分析3種樣件的耐磨性能，結果表明，布利岡結構件的磨損量最小為0.12 g，且標準差最小，為0.012，耐磨性能較為穩定。研究結果可為農機具觸土部件的耐磨增效提供設計依據和理論基礎。
磨損；
仿生；
布利岡結構；
觸土部件；
耐磨性能；
DEM-FEM
在農機具觸土部件作業過程中，磨損是其失效破壞的主要形式[1-3]。保證關鍵觸土部件的質量可靠、提高關鍵耐磨件的使用壽命對延長觸土部件的無故障工作時間、提高農業機械的作業效率具有重要意義[4-5]。在提高耐磨性能方面，國內學者普遍選擇從材料特性、工藝方法和仿生結構設計等方面進行改進[6-10]。仿生學為農機部件設計中提供了新思路[11]，HAN等[12]以生活在沙漠的條斑鉗蝎背甲表面形狀結構，設計加工多種仿生結構表面，通過沖蝕磨損試驗驗證背甲結構對于提升表面抗沖蝕磨損性能的作用。張金波等[13]利用仿生學原理，將櫛孔扇貝表面的放射肋應用于深松鏟刃的磨損表面結構設計，磨料磨損試驗結果表明特定的肋條分布間距和底寬比的仿生試驗樣件可有效降低磨損量。近年來在雀尾螳螂蝦附足、甲蟲鞘翅外骨骼和巨骨舌魚鱗片[14-16]的膠原纖維片層中都發現了一種螺旋狀排列結構，又稱布利岡（Bouligand）結構，該結構存在連續的螺旋纖維層，具有高強度、高延展性、高韌性和抗沖擊的特點，利用布利岡結構制作的樣件具有優異的力學性能[17-18]。
利用金屬材料制作的磨損試樣的耐磨性高，在磨料磨損試驗中需要較長時間才能達到可測量的試驗效果，因此選擇磨損較快的材料制備樣件，可加快試驗進度[19]。立體光固化成型(SLA)具有成型精度高、打印復雜結構零件等特點[20]，SLA成型材料主要為光敏樹脂，在紫外線的照射下發生聚合反應，經層層累積最終打印成型[21]。離散元法（digital elevation model, DEM）具備計算幾何體所受的作用力，有限單元法（finite element method, FEM）可以分析幾何體的應力應變，DEM-FEM聯合仿真可以將離散元軟件計算出的載荷信息導入有限元軟件中精確計算出幾何體的應力應變[22-23]。
仿生布利岡結構具有優異的力學性能，而該結構耐磨性能方面的研究鮮有報道，本文以仿生布利岡結構為仿生原型，從布利岡結構表面具有的棱紋特征出發，結合其空間分布特征，運用離散元法優化其幾何結構參數，采用DEM-FEM聯合仿真方法對樣件內部應力應變進行分析，探索其耐磨機理；
進行磨損實測試驗，以期為農機具觸土部件的耐磨增效提供設計依據。
1.1 仿生模型構建
自然界中的布利岡結構由羥基磷灰石、磷酸鈣和膠原蛋白的多相復合材料組成，而其中由礦化幾丁質纖維構成的螺旋狀結構[24]是其具有優異能量耗散等性能的關鍵[25-26]，如圖1所示，在模型構建過程中，為了簡化連接將兩層之間進行重疊，由相同結構單元直徑、不同層間螺旋角度、不同層間重疊間距的圓柱體螺旋層壓而成，如圖2所示。
圖1 仿生對象及仿生模型
注：h為結構單元直徑，mm；
i為層間螺旋角度，(°)；
j為重疊間距，mm。
1.2 離散元接觸模型
本文采用EDEM模擬不同樣件磨損過程。使用Hertz-Mindin無滑移模型模擬石英砂顆粒之間的相互作用，石英砂與光敏樹脂之間使用Archard Wear磨損模型，利用該模型對樣件磨損深度作出評估，可實現對工件表面材料去除量的有效預測。使用Relative Wear模型磨損進行識別，并提供相關數據，用于獲得石英砂顆粒與工件相互作用時的法向及切向累積接觸能量，衡量工件不同位置處的材料去除量。
在Archard中，磨損常數是一個十分難以確定的系數，基于Archard磨損理論[27-28]，工件表面的磨損體積W可表示為
式中α為磨損常數，為顆粒相對滑動距離。
結合圖3，顆粒與工件表面之間相互作用時，定義工件表面的磨損體積為
式中為實際材料去除量與理論材料去除量的比值，其大小為0.84[29]。
注：a為接觸面積的半徑，mm，Fn為顆粒受到的的反作用力，N；
θ為對應圓弧中心角，(°)；
A0是球面壓痕的橫截面積，mm2；
δn為法向重疊量，mm。
結合式（1）及式（2）可得：
由圖3可知：
式中R顆粒半徑，mm；
為接觸面積的半徑，mm。
由式（6）可得：
結合式（4）～（5）、式（7）可得：
接觸力F計算公式為
式中E為等效彈性模量。
結合式（3）、式（8）～（9）得到α的計算公式：
顆粒硬度與屈服應力之間的關系可表示為
H=3σ（11）
式中H為顆粒的硬度，Pa；
σ為顆粒的屈服應力，Pa，屈服應力約等于球形顆粒的最大壓應力：
σ=P（12）
由式（11）、式（13）可得：
將石英砂硬度（4.2×108Pa）代入式（14）中，得到磨損常數α的大小為1.4×10-7。
1.3 仿真參數
為了在離散元軟件中顯示出磨痕深度，模型需要在ANSYS中劃分網格，劃分結束后將文件導出為.msh格式導入到離散元軟件EDEM。
為了降低計算成本和提高效率，將實際試驗中樣件在磨料中的翻轉磨損簡化為運動的顆粒流沖擊靜止樣件，優點是不用生成大量的顆粒從而縮短計算時間。連續顆粒流沖擊樣件表面，顆粒流相對于樣件表面夾角為30°，速度為1 m/s，顆粒半徑為0.2 mm[30]，模擬區域為200 mm×80 mm×50 mm的長方體，如圖4所示，顆粒生成速率為4×104/s，共運行1 s。參考相關文獻[31-32]，確定顆粒的材料特性和接觸參數，如表1所示。
1.顆粒工廠 2.顆粒流方向 3.磨料顆粒 4.樣件 5.計算域
由于Archard Wear模型只能得到平均磨痕深度，故在制圖軟件中計算出不同樣件的表面積，結果如表2所示，進而得到樣件的磨損量。
表1 仿真參數
表2 不同結構單元直徑的樣件表面積
2.1 單因素試驗
為選擇出較優異的因素水平，以磨損量為試驗指標，以布利岡結構參數的結構單元直徑、層間螺旋角度和層間重疊間距為因素，進行單因素試驗，單因素試驗結果如圖5所示。由圖5a可知，當層間螺旋角度為14°，層間重疊間距為0.15 mm時，隨著結構單元直徑的增加，磨損量呈逐漸增加趨勢，在結構單元直徑為1.0 mm時磨損量最小，為2.35×10-6g。由圖5b可知，當結構單元直徑為2.0 mm，層間重疊間距為0.15 mm時，隨著層間螺旋角度的增加，磨損量呈先減小后增加的趨勢，在層間螺旋角度為16°時磨損量最小，為2.87×10-6g。由圖6c可知，當結構單元直徑為2.0 mm，層間螺旋角度為14°時，隨著層間重疊間距的增大，磨損量呈先減小后增加再緩慢減小的趨勢，在層間重疊間距為0.10 mm時磨損量最小，為4.35×10-6g。
2.2 中心組合試驗
為了進一步分析結構單元直徑、層間螺旋角度和層間重疊間距及其交互作用對性能的影響，基于單因素試驗結果，采用Box-Behnken中心組合試驗探討各參數對樣件磨損性能的影響，尋求布利岡結構最優結構參數。制定3因素3水平中心組合試驗，試驗因素與編碼水平如表3所示，試驗方案與結果如表4所示。
圖5 單因素試驗結果
表3 試驗因素與編碼
表4 試驗設計方案及結果
注：1、2、3分別為結構單元直徑、層間螺旋角度和層間重疊間距的水平值。
Note:123are the level value of diameter of structural unit, interlaminar helical angle and interlayer overlap spacing.
利用Design Expert軟件對試驗數據進行方差分析，模型及回歸系數的顯著性檢驗結果如表5所示。由表5可知，回歸方程的<0.000 1，模型極其顯著。決定系數2=0.988 7，模型的擬合度較好。調查2為0.974 3，預測值與試驗值之間的相關性較高，可用此模型對磨損量進行分析和預測。失擬項=0.128 0>0.05，未知因素對試驗結果的影響較小。1和22對工作阻力的影響較顯著，2、3和12對響應值影響顯著，值均小于0.05，說明試驗因素對磨損量的影響不是簡單的線性關系，具有交互作用。
注：S表示平方和，d表示自由度，M表示均方，*表示顯著(<0.05)，**表示極顯著(<0.01)。
Note:Sis sum of squares;dis degree of freedom;Mis mean squares;*means significant (<0.05); ** means extremely significant (<0.01).
根據試驗數據進行二次多項式回歸擬合，剔除不顯著因素，建立結構單元直徑1、層間螺旋角度2、層間重疊間距3與磨損量之間的回歸方程，如式（15）所示。
=2.10×10-5?6.13×10-71?2.45×10-62+2.08×10-63+
1.65×10-712+7.06×10-822（15）
自變量與響應值（磨損量）的響應曲面圖及相應的等高線圖如圖6a、圖6b和圖6c所示。
由圖6a可知，當3為零水平時，1和2兩因素之間的等高線緊密，說明交互作用較為顯著。磨損量隨1的增加而顯著增加，隨著2的增加先減少后增加。
由圖6b可知，當2為零水平時，1和3兩因素之間的等高線稀疏，說明交互作用不顯著。磨損量隨著3的增加而先增加后減少。
由圖6c可知，當1為零水平時，2和3兩因素之間的等高線稀疏，說明交互作用不顯著。磨損量隨2的增加先減少后增加，隨著3的增加先增加后減少。
仿真磨料磨損試驗目標為磨損量最小。使用Design Expert優化功能，此方法只需經過軟件計算，即可得出最優結果，布利岡結構的最優參數為結構單元直徑為1.03 mm、層間螺旋角度16.48°、層間重疊間距0.13 mm。在此條件下，布利岡結構最小磨損量為2.12×10-6g。為方便計算，最終圓整為1.0 mm、16°和0.13 mm。
圖6 磨損量響應曲面
2.3 對比試驗
以棱紋件和光滑件作為對照，如圖7所示。對3組樣件分別進行仿真磨損試驗，仿真試驗條件不變。
圖7 仿真試驗樣件
導出樣件平均磨痕深度，計算得到5 s后的磨損量，結果如圖8所示，光滑件磨損量為2.73×10-5g，單層棱紋件磨損量為2.26×10-5g，布利岡結構件磨損量為2.13×10-6g，較光滑件磨損量減少了92.2%，較單層棱紋件磨損量減少了90.6%。
圖8 對比試驗仿真模擬結果
圖9為試樣的磨損云圖，由圖9可知最先與顆粒流接觸的一側磨損較為嚴重，紅色面積區域大且集中，其中光滑件的紅色區域占比最大，其次是單層棱紋件，最后是布利岡結構件。布利岡結構件表面藍色面積大，說明平均磨損深度小，表面受到輕微磨損的區域大于另外兩種樣件，另外，單層棱紋件和布利岡結構件磨損嚴重的區域大都在凸起的棱紋上，棱紋結構有效減輕基體的磨損程度。
通過觀察和分析圖10顆粒撞擊試件的運動軌跡發現，光滑件中的顆粒與表面接觸后分散度小于單層棱紋件和仿生布利岡結構件。原因是光滑件表面沒有凸起，顆粒沖擊到光滑表面后徑直反射出去，而表面結構棱紋對入射顆粒有反彈作用，反彈的顆粒撞擊到后續顆粒，導致后續顆粒沖擊角度發生改變，沖擊動能減小，因此到達樣件表面的顆粒數量減少，攜帶的總動能小對表面的磨損作用也減小，磨損減輕。
由于單層棱紋件和布利岡結構件顆粒流都較為分散，進一步導出顆粒撞擊3種樣件的累計接觸力和累計接觸能。如圖11a所示，與光滑件相比，布利岡結構件的累計切向力、累計法向力分別下降了89.57%、89.30%。與單層棱紋件相比，布利岡結構的累計切向力、累計法向力分別下降了87.77%、88.04%。如圖11b所示，與光滑件相比，布利岡結構件的累計切向接觸能、累計法向接觸能分別下降了90.81%、92.76%。與單層棱紋件相比，布利岡結構件的累計切向接觸能、累計法向接觸能分別下降了88.58%、89.40%。更高的接觸能和接觸力對應更嚴重的磨損。
注：箭頭表示磨料磨損方向。
圖10 顆粒運動軌跡
先在EDEM中將整個仿真時間段的樣件載荷輸出，然后在ANSYS Workbench中建立EDEM與Workbench的聯合關系，在Static Structural中對樣件施加EDEM中輸出的載荷，根據Workbench輸出的平均變形量和平均應力，得到樣件內部的變形量及應力。圖12為3種樣件變形量的可視化視圖，光滑件的平均變形量為1.62×10-9mm（最小變形量為0，最大變形量為3.91× 10-8mm），單層棱紋件的平均變形量為7.97×10-9mm（最小變形量為0，最大變形量為1.22×10-7mm），布利岡結構件的平均變形量為1.82×10-8mm（最小變形量為0，最大變形量為4.31×10-7mm）。圖13為3種樣件的等效應力可視化視圖，光滑件的平均等效應力為1.16×10-6MPa（最小應力為2.55×10-10MPa，最大應力為4.42×10-5MPa），單層棱紋件的平均等效應力為6.36×10-6MPa（最小應力為2.39×10-8MPa，最大應力為2.20×10-4MPa），布利岡結構件的平均等效應力為1.01×10-5MPa（最小應力為8.12×10-8MPa，最大應力為4.81×10-4MPa）。另外結合剖視圖可以看到，相比其他2種樣件，布利岡結構件平均變形量最大，說明結構內部形變較大，在受到外部沖擊時內部形變抵消了一部分能量，減輕了表面磨損效果，磨損量減小。且布利岡結構件的平均等效應力最大，也從側面說明了樣件內部受力較大，多層螺旋結構將表面受力傳遞到內部，而等效應力整體較小，不會破壞樣件內部結構。
圖11 樣件表面接收能量
圖12 樣件變形情況
圖13 樣件應力情況
4.1 測試系統
為驗證布利岡結構件的減磨效果，設計一組棱紋件和一組光滑件作為對照，共3組9個樣件（圖14），樣件的長寬高分別為60、40、7 mm。使用光敏樹脂通過光固化技術成型。在昆明理工大學現代農業工程學院使用自制的旋轉磨料磨損測試系統進行驗證，測試裝置由三相異步電機、調頻器、扭矩傳感器和磨料箱組成。磨料箱為邊長0.6 m的立方體，整體裝置如圖15所示。
圖14 磨損試驗樣件
1. 三相異步電機 2. 調頻器 3. 扭矩傳感器 4. 磨料 5. 樣件
轉速由扭矩傳感器（DYN-200，大洋，蚌埠）測量并使用調頻器控制。在測試過程中，電機驅動夾持測試樣本的主軸。隨著主軸的轉動，試樣不斷與磨粒發生碰撞和擠壓，試驗機主軸的轉速設置為127 r/min，相應的樣件和磨料相對速度為1 m/s，與仿真試驗一致。
磨料由96.5%的石英砂和3.5%的膨潤土組成[33]，研磨材料過40目（425 μm）和60目（250 μm）過濾篩過濾，以確保顆粒直徑在250～425 μm范圍內。為避免熱量積聚，每10 h測試后關閉磨料磨損系統，靜置至樣件表面常溫后再開啟，每次試驗累計50 h，重復3次。每次試驗前后使用超聲波清洗機清理砂石雜質，使用電子天平稱量樣件的質量損失，待系統充分冷卻后，重新啟動，繼續測試。
圖16 磨料磨損試驗
圖16為3種樣件磨損量隨時間變化趨勢。隨著磨損時間的增加，可以看出3種樣件的磨損斜率也在慢慢增加，原因可能是表面開始破損后侵蝕效果越來越嚴重，相同時間下磨損量越來越多。經過150 h磨損試驗后測得布利岡結構件磨損量為0.12 g，單層棱紋件磨損量為0.98 g，光滑件磨損量為1.15 g，與仿真試驗結果相符。
4.2 磨損形貌分析
磨損試驗結束后通過SEM分析試樣表面的磨損形態。通過掃描電鏡觀察各樣件的表面形貌，如圖17所示，光滑件磨損嚴重，表面有明顯凹坑和白色磨粒，局部有撕裂痕跡，磨痕形貌復雜；
單層棱紋件表面凹坑多但淺，磨痕深度也不及光滑件表面；
布利岡結構件表面呈魚鱗狀伴有少量白色磨粒，磨痕較淺。
圖17 三種樣件的磨損形貌
本研究選用自然界中廣泛存在的布利岡結構作為仿生原型，設計了仿生布利岡結構樣件，通過EDEM結合中心組合試驗，得到最優參數組合，在EDEM中研究仿生樣件耐磨機制，通過磨料磨損試驗評估布利岡結構件、單層棱紋件與光滑件的耐磨性。根據本研究得出以下結論：
1）中心組合試驗結果表明，結構單元直徑為1.03 mm、層間螺旋角度為16.48°、層間重疊間距為0.13 mm時，布利岡結構件磨損量最小，為2.12×10-6g。在仿真對比試驗中，光滑件磨損量為2.73×10-5g，單層棱紋件磨損量為2.26×10-5g，布利岡結構件磨損量為2.13×10-6g。
2）布利岡結構件的平均磨痕深度最小，為6.61×10-6mm。與光滑件相比，布利岡結構件的累計切向力、累計法向力分別下降了89.57%、89.30%。與單層棱紋件相比，布利岡結構的累計切向力、累計法向力分別下降了87.77%、88.04%。與光滑件相比，布利岡結構件的累計切向接觸能、累計法向接觸能分別下降了90.81%、92.76%。與單層棱紋件相比，布利岡結構件的累計切向接觸能、累計法向接觸能分別下降了88.58%、89.40%。
3）采用DEM-FEM聯合仿真對3種樣件內部應力應變進行分析，得到光滑件的平均變形量為1.62×10-9mm，單層棱紋件的平均變形量為 7.97×10-9mm，布利岡結構件的平均變形量為1.82×10-8mm。光滑件的平均等效應力為1.16×10-6MPa，單層棱紋件的平均等效應力為6.36×10-6MPa，布利岡結構件的平均等效應力為1.01×10-5MPa。布利岡結構樣件不僅變形量大，等效應力也大，解釋了布利岡結構件的耐磨原因，不只表面的棱紋結構有減少顆粒流撞擊數量的作用，內部的螺旋結構也起到了吸收沖擊力、減小樣件磨損的效果。
[1] 周光永，莫亞武，陳文凱. 旋耕機刀片的耐磨性研究[J].農機化研究，2015，37(12)：66-69.
ZHOU Guangyong, MO Yawu, CHEN Wenkai. Researching of wear characteristics for rotary tiller[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2015, 37(12): 66-69. (in Chinese with English abstract)
[2] 李浩，郝建軍，趙建國，等. 國外農機觸土部件土壤磨損機理研究現狀及啟示[J]. 農機化研究，2022，44(9)：1-6.
LI Hao, HAO Jianjun, ZHAO Jianguo, et al. The status and enlightenment of research on soil abrasion mechanism of soil-engaging components of agricultural machinery abroad[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2022, 44(9): 1-6. (in Chinese with English abstract)
[3] 夏國峰，楊學鋒，萬壯，等. 農耕機械觸土部分磨損及表面改性研究現狀[J]. 江蘇農業科學，2020，48(4)：46-51.
XIA Guofeng, YANG Xuefeng, WANG Zhuang, et al. Research status of abrasion and surface modification of soil-contacting part of farming machinery[J]. Jiangsu Agricultural Sciences, 2020, 48(4): 46-51. (in Chinese with English abstract)
[4] 蘇彬彬，徐楊，簡建明. 農業機械耐磨件發展及研究現狀[J].熱處理技術與裝備，2013，34(5)：53-58.
SU Binbin, XU Yang, JIAN Jianming. The Actuality of Development and research of wear eesistant part for agricultural mechinery[J]. Heat Treatment Technology and Equipment, 2013, 34(5): 53-58. (in Chinese with English abstract)
[5] 李慶達，郭建永，胡軍，等. 土壤耕作部件耐磨減阻處理的研究現狀[J]. 表面技術，2017，46(2)：119-126.
LI Qingda, GUO Jianyong, HU Jun, et al. Research status of wear resistance and drag reduction treatment of soil cultivation components[J]. Surface Technology, 2017, 46(2): 119-126. (in Chinese with English abstract)
[6] 賈洪雷，王萬鵬，陳志，等. 農業機械觸土部件優化研究現狀與展望[J]. 農業機械學報，2017，48(7)：1-13.
JIA Honglei, WANG Wangpeng, CHEN Zhi, et al. Research Status and prospect of soil-engaging components optimization for Agricultural Machinery[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(7): 1-13. (in Chinese with English abstract)
[7] 郝建軍，占志國，侯俊英，等. 旋耕刀Fe/WC/CeO2等離子堆焊層制備及其組織性能[J]. 農業工程學報，2021，37(24)：1-8.
HAO Jianjun, ZHAN Zhiguo, HOU Junying, et al. Preparation and microstructure properties of Fe/WC/CeO2plasma surfacing layer for rotary blades[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(24): 1-8. (in Chinese with English abstract)
[8] 杜忠澤，黃俊霞，符寒光，等. 65Mn鋼大塑性變形后的組織與力學性能[J]. 吉林大學學報（工學版），2006(2)：143-147.
DU Zhongze, HUANG Junxia, FU Hanguang, et al. Microstructure and mechanical property of 65Mn steel after severe plastic deformation[J]. Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition), 2006(2): 143-147. (in Chinese with English abstract)
[9] ZHOU H, SUN N, SHAN H, et al. Bio-inspired wearable characteristic surface: Wear behavior of cast iron with biomimetic units processed by laser[J]. Applied Surface Science, 2007, 253(24): 9513-9520.
[10] 周圣豐，戴曉琴，鄭海忠. 激光熔覆與激光-感應復合熔覆WC-Ni60A涂層的結構與性能特征[J]. 機械工程學報，2012，48(7)：113-118.
ZHOU Shengfeng, DAI Xiaoqin, ZHENG Haizhong. Characteristics on structure and properties of WC-Ni60A coatings by laser cladding and laser-induction hybrid cladding[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2012, 48(7): 113-118. (in Chinese with English abstract)
[11] 賈洪雷，鄭嘉鑫，袁洪方，等. 仿形滑刀式開溝器設計與試驗[J]. 農業工程學報，2017，33(4)：16-24.
JIA Honglei, ZHENG Jiaxin, YUAN Hongfang, et al. Design and experiment of profiling sliding-knife opener[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(4): 16-24. (in Chinese with English abstract)
[12] HAN Z W, ZHU B, YANG M K, et al. The effect of the micro-structures on the scorpion surface for improvingthe anti-erosion performance[J]. Surface & Coatings Technology, 2017, 313: 143-150.
[13] 張金波，佟金，馬云海. 仿生肋條結構表面深松鏟刃的磨料磨損特性[J]. 吉林大學學報（工學版），2015，45(1)：174-180.
ZHANG Jinbo, TONG Jin, MA Yunhai. Abrasive wear characteristics of subsoiler tines with bionic rib structure surface[J]. Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition), 2015, 45(1): 174-180. (in Chinese with English abstract)
[14] YANG J K, GU D D, LIN K J, et al. Laser powder bed fusion of mechanically efficient helicoidal structure inspired by mantis shrimp[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2022, 231.
[15] ZAHERI A. Convergent Evolution in Biological Lamellar Systems: Multiscale Structures and Mechanics[D]. Evanston, North-western University, 2019.
[16] ZIMMERMANN E A, GLUDOVATZ B, SCHAIBLE E, et al. Mechanical adaptability of the Bouligand-type structure in natural dermal armour[J]. Nature Communications, 2013, 4(1): 1-7.
[17] 宋文偉，郭策，馬巖，等. 仿甲蟲鞘翅輕質結構的力學性能研究[J]. 機械科學與技術，2010，29(10)：1376-1379，1384.
SONG Wenwei, GUO Ce, MA Yan, et al. Mechanical properties of beetle’s elytra-inspired lightweight structures[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2010, 29(10): 1376-1379, 1384. (in Chinese with English abstract)
[18] **超. 薄壁結構的吸能特性研究與抗撞性優化[D]. 廣州：華南理工大學，2019.
LI Zhichao. Study on Energy Absorption Characteristics and Crashworthiness Optimization of Thin-walled Structures[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2019. (in Chinese with English abstract)
[19] 榮寶軍. 耐磨仿生幾何結構表面及其土壤磨料磨損[D]. 長春：吉林大學，2008.
RONG Baojun. Biomimetic Geometrical Structure Surfaces with Anti-abrasion Function and Their Abrasive Wear against Soil[D]. Changchun: Jilin University, 2019. (in Chinese with English abstract)
[20] 楊偉，陳正江，補輝，等. 基于工程塑料的3D打印技術應用研究進展[J]. 工程塑料應用，2018，46(2)：143-147.
YANG Wei, CHEN Zhenjiang, BU Hui, et al. Progress on application research of 3D printing technology based on engineering plastics[J]. Engineering Plastics Application, 2018, 46(2): 143-147. (in Chinese with English abstract)
[21] 曹嘉欣. SLA-3D打印光敏樹脂的改性及其性能研究[D]. 西安：西安科技大學，2020.
CAO Jiaoxin. Study on Modification and Performance of SLA-3D Printing Photosensitive Resin[D]. Xi’an: Xi’an University of Science and Technology, 2020. (in Chinese with English abstract)
[22] 畢秋實，王國強，黃婷婷，等. 基于DEM-FEM耦合的雙齒輥破碎機輥齒強度分析[J]. 吉林大學學報（工學版），2018，48(6)：1770-1776.
BI Qiushi, WANG Guoqiang, HUANG Tingting, et al. Tooth strength analysis of mineral sizer by coupling discrete element method and finite element method[J]. Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition), 2018, 48(6): 1770-1776. (in Chinese with English abstract)
[23] 魯艷鵬. 基于DEM-FEM耦合的雙齒輥破碎機及其傳動系統的數字化平臺研究[D]. 長春：吉林大學，2019.
LU Yanpeng. Research of Digital Platform for Double-toothed RollCrusher and lts Transmission System Based on DEM-FEM Coupling[D]. Changchun: Jilin University, 2019. (in Chinese with English abstract)
[24] 張智泓，張廣凱，佟金，等. 克氏原鰲蝦頭胸部外骨骼微觀結構和摩擦磨損特性[J]. 農業工程學報，2018，34(7)：52-58.
ZHANG Zhihong, ZHANG Guangkai, TONG Jin, et al. Microstructure and tribology characteristics of head and chest exoskeleton of Procambarus clarkii[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(7): 52-58. (in Chinese with English abstract)
[25] GUARIN-ZAPATA N, GOMEZ J, YARAGHI N, et al. Shear wave filtering in naturally-occurring Bouligand structures[J]. Acta biomaterialia, 2015, 23: 11-20.
[26] CHEN S M, GAO H L, ZHU Y B, et al. Biomimetic twisted plywood structural materials[J]. National Science Review, 2018, 5(5): 703-714.
[27] ARCHARD J F. Contact and rubbing of flat surfaces[J]. Journal of Applied Physics, 1953, 24(8): 981-988.
[28] CHEN G, SCHOTT D L, LODEWIJKS G, et al. Sensitivity analysis of DEM prediction for sliding wear by single iron ore particle[J]. Engineering Computations, 2017, 34(6): 2031-2053
[29] 趙愷. 主軸式滾磨光整加工作用規律及均勻一致性工藝方案探索[D]. 太原：太原理工大學，2021.
ZHAO Kai. Research on the Law of Spindle Barrel Finishing Processand the Process Plan of Uniformity and Consistency[D]. Taiyuan: Taiyuan University of Technology, 2011.
[30] ZHANG Z, YUAN S, LAI Q, et al. Bioinspired Imbricated Microthorn Scale Surfaces and their Abrasive Wear Performance[J]. Journal of the ASABE, 2022, 65(2): 209-220.
[31] 張紅，李楠，鄢文，等. 碳纖維的引入方式對鋁碳耐火材料顯微結構和力學性能的影響[J]. 當代化工，2022，51(7)：1527-1532，1554.
ZHANG Hong, LI Nan, YAN Wen, et al. Effect of carbon fiber introduction mode on microstructure and mechanical properties of aluminum carbon refractories[J]. Contemporary Chemical Industry, 2022, 51(7): 1527-1532, 1554. (in Chinese with English abstract)
[32] 章廣成，向欣，唐輝明. 落石碰撞恢復系數的現場試驗與數值計算[J]. 巖石力學與工程學報，2011，30(6)：1266-1273.
ZHANG Guangcheng, XIANG Xin, TANG Huiming. Field test and numerical calculation of restitution coefficient of rockfall collision[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2011, 30(6): 1266-1273. (in Chinese with English abstract)
[33] 佟金，任露泉，陳永潭，等. 聚四氟乙烯和超高分子量聚乙烯的磨粒磨損性能與機理研究[J]. 摩擦學學報，1994，14(1)：65-72.
TONG Jin, REN Luquan, CHEN Yongtan, et al. Abrasive properties and mechanism of polytetrafluoroethylene and ultra high molecular weight polyethylene[J]. Tribology, 1994, 14(1): 65-72. (in Chinese with English abstract)
Design and experiments of the Bouligand structure inspired bionic wear resistant soil-engaging component for the agricultural machinery
ZHANG Zhihong1, CHEN Zhaoyang1, LAI Qinghui1※, SUN Wenqiang1, XIE Guanfu1, TONG Jin2,3
(1.650500; 2.130022,; 3.130022,)
The impact of soil particles on the soil-engaging components can lead to wear and tear, even in the failure of agricultural machinery systems. The bionic Bouligand-type (twisted plywood) arrangement structure can be expected to provide new strategies in this case. This study aims to explore the wear-resistance performance of the bioinspired Bouligand structure for the soil-engaging components. A series of computational simulation experiments were also carried out on the abrasive wear using the EDEM platform. Three parameters of the geometric feature were first selected as the experimental independent variables, including the beam diameter, twist angle, and overlap distance of the Bouligand-type structure. By contrast, the abrasion loss was used as the response value. Multivariate quadratic polynomial regression models were then established for the optimization. The geometric feature parameters of the Bouligand-type structure were also optimized, according to the relationship between the independent variable and the response value. The optimization results showed that the favorable wear-resistance performance was achieved under the optimal combination of geometrical feature parameters, with a beam diameter of 1.0 mm, a twist angle of 16°, and an overlap distance of 0.13 mm. With the optimal parameters, the wear-resisting properties of the Bouligand-type structure were compared with the conventional solid ribbed surface and smooth surface. The computational results show that the abrasion losses were 2.13×10-6g for the Bouligand-type structured surface, 2.26×10-5g for the conventional ribbed surface, and 2.73×10-5g for the conventional smooth surface, respectively. The bouligand-type structured surface reduced the abrasion losses by 90.6% and 92.2%, respectively, compared with the conventional ribbed surface and smooth surface, respectively. Correspondingly, the Bouligand-type structure substantially reduced the abrasion loss from the abrasive wear, particularly for better wear-resistance performance. Furthermore, the EDM-FEM coupled simulation was used to evaluate the internal deformation and strain behavior of the samples, in order to further investigate the wear-resisting enhancement from the Bouligand-type structure. In addition, the averaged deformation of the Bouligand-type structured, conventional ribbed, and smooth surface were 1.82×10-8, 7.97×10-9, and 1.62×10-9mm, respectively, where the averaged equivalent stresses were 1.16×10-6, 6.36×10-6, and 1.01×10-5MPa, respectively. The results show that the Bouligand-type structure presented relatively higher internal deformation and strain, compared with the rest. The reason was that the Bouligand-type structure shared the better capability to absorb the impact energy from the abrasive particles for reduced abrasion loss. The rotary abrasive test bench was used to further validate the simulation. The minimum wear amount of Bouligand structural parts was 0.12 g, and the minimum standard deviation was 0.012, the wear resistance was stable compared with the conventional ribbed and smooth surface. Consequently, there were relatively stable variations in the abrasion loss of the Bouligand-type structure over the wear time. This research can also provide a new theoretical reference and technical basis for the development of promising wear-resistant materials.
abrasion;bionics; Bouligand structure; soil contact parts;wear resistance; DEM-FEM
10.11975/j.issn.1002-6819.202210108
S222
A
1002-6819(2023)-01-0028-10
張智泓，陳朝陽，賴慶輝，等. 仿生布利岡結構農機耐磨觸土部件設計與試驗[J]. 農業工程學報，2023，39(1)：28-37.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202210108 http://www.tcsae.org
ZHANG Zhihong, CHEN Zhaoyang, LAI Qinghui, et al. Design and experiments of the Bouligand structure inspired bionic wear resistant soil-engaging component for the agricultural machinery[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2023, 39(1): 28-37. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202210108 http://www.tcsae.org
2022-10-14
2022-12-23
國家自然科學基金項目（52065031, 51605210）
張智泓，博士，副教授,研究方向為機械仿生學理論與技術研究。Email：zhihong.zhang@ kust.edu.cn
賴慶輝，博士，教授，博士生導師，研究方向為農業機械裝備與計算機測控研究。Email: laiqinghui007@163.com
中國農業工程學會高級會員：張智泓（E041201239S）
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