冯艳艳，唐亚鸣，时安德，谢 瑶

(河海大学机电工程学院，江苏 常州 213022)
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摘要：为了进一步探究基于河蚌外壳表面结构的棱纹形仿生疏浚绞刀刀齿的减阻效果，利用SolidWorks软件设计了3种不同间距分布的仿生刀齿模型。根据仿生疏浚绞刀刀齿切削土壤的工作特点，借助ANSYS/LS-DYNA软件，模拟分析仿生疏浚绞刀刀齿切削土壤的过程，通过与普通刀齿的切削阻力作对比，得出棱纹分布间距为10.00 mm的仿生疏浚绞刀刀齿具有最佳的减阻效果，其减阻率为9.32%。研究结果为仿生疏浚绞刀刀齿的参数优化设计提供了参考。

关键词：棱纹形；减阻；ANSYS/LS-DYNA；切削阻力

中图分类号：TH12;U616   文献标识码：A   文章编号：2095-509X(2020)03-0001-04

土壤黏附是疏浚挖泥船在施工过程中无法避免的现象，尤其在挖掘黏性土壤时。由于从仿生学角度出发进行产品设计已成为一种新的途径，因此本文基于在水下生存并且不易粘土的河蚌外壳进行减粘减阻挖掘机具的仿生设计，其中绞刀就是最直接和最核心的土壤挖掘部件。目前，研究土壤切削问题的方法主要有3种：理论研究、数值模拟和试验研究。本文基于有限元方法（FEM）建立绞刀刀齿切削土壤有限元模型，对比分析仿生刀齿和普通刀齿的切削阻力，验证仿生刀齿的减阻效果，以期为绞刀的加工和减粘减阻设计提供可靠依据。

1 棱纹形仿生疏浚绞刀刀齿的设计

设计的前期工作为使用逆向工程技术对河蚌外壳表面进行曲线曲面重构和特征点的数据拟合，为最终建立河蚌外壳表面的数学模型做好准备工作。由于河蚌外壳表面具有类似棱纹形的几何结构，因此数据点的分布高度符合正弦函数y=asin(bx+c)，其中a，b，c  分别为振幅、周期和初相位，同时考虑到刀齿的实际尺寸和加工工艺等方面的因素，设定仿生疏浚绞刀刀齿的棱纹形几何结构的数学模型方程为：



y=3.5sin(0.5x)                                           （1）



单个棱纹形几何结构断面如图1所示，图中单位为mm。

图1 棱纹形几何结构断面图略

    根据数学模型方程（1），利用SolidWorks软件设计出3种不同间距分布的棱纹形仿生疏浚绞刀刀齿，如图2所示（L为相邻两个棱纹的分布间距，其他参数相同）。

图2 不同间距分布的棱纹形仿生疏浚绞刀刀齿

2 有限元模型的建立

2.1 土壤模型

在数值模拟疏浚绞刀刀具切削土壤的过程中，土壤本构模型和土壤材料参数的取值对仿真结果有很大的影。由于疏浚刀具的工作环境大多...

......

基金项目：江苏省研究生科研与实践创新计划项目（KYCX18_0534）;中央高校基本科研业务费（学生项目）资助项目(2018B727X14)

作者简介：冯艳艳（1993—），女，硕士研究生，主要研究方向为水利机械仿生，2795766914@qq.com.