CN107484450A - 一种基于分形理论的仿生多尺度凸包结构 - Google Patents

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王晓阳
赖庆辉
张广凯
李莹
张兆国
佟金
曹秀龙
高旭航
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Abstract

本发明涉及一种基于分形理论的仿生多尺度凸包结构，属于农业机械设备技术领域。本发明凸包结构按照分形维数以多尺度的形式分布在粘性土壤机械触土部件表面，呈阵列排布。本发明基于分形理论的仿生多尺度凸包结构，用于粘性土壤机具触土部件表面，在原有凸包防粘减阻的能力下，进一步增强防粘减阻的能力，使得农业机具能够在粘性土壤区域里更好的作业。基于分形理论的仿生多尺度凸包，可对于粘性较大的土壤，减少摩擦力，降低阻力，在保证作业质量的前提下，减少了能耗损失，节约了生产成本。

Description

一种基于分形理论的仿生多尺度凸包结构
技术领域
本发明涉及一种基于分形理论的仿生多尺度凸包结构，适用于粘性土壤机械触土部件表面几何结构，属于农业机械设备技术领域。
背景技术
在现代农业机具地面机械触土部件与土壤接触过程中，防粘减阻一直是科技人员对地面机械触土部件的研究方向。土壤与地面机械触土部件接触时候，会产生粘附力并且会产生严重的粘附积留现象。在此过程中，严重的摩擦力会产生很大的阻力，严重影响机械工作效率，因此需要尽可能减小阻力和摩擦力。
对于现代旱田农业机具触土部件的研究中，发现了多种土壤动物的表面几何结构，这些结构的特点是具有一定的几何单元体规则地或随机地分布在体表有关部位。通过对这些凸包几何结构的研究。设计仿生非光滑结构表面农业机具触土部件，实现了良好的防粘性能，减小了阻力和摩擦力，在现代农业生产中得到良好的推广。
旱田农业机具防渗研究中，凸包结构在触土部件上得到了很好的运用，有一定的防粘减阻效果。但对于粘性土壤，存在部分水分的土壤，特别南方的红土，粘性较重，作业时阻力大，作业消耗功率高，需要提高农业机具的防粘减阻的性能。
目前公知的采用仿生凸包结构的农业机具触土部件在旱田作业时取得了明显的作业效果，但是，实际推广中，我国的广大粘性土壤地域，具有一点的限制作用，特别上南方红土壤，成分不同，防粘减阻的要求不同。根据上述问题，需要在一定程度上优化农机具触土部件表面的仿生几何结构形式，增强其防粘减阻的能力，从而使在我国广大粘性土壤地区得到推广使用。
发明内容
本发明提供了一种基于分形理论的仿生多尺度凸包结构，用于克服粘性土壤触土部件粘附力大、阻力大、能耗高的问题。
本发明的技术方案是：一种基于分形理论的仿生多尺度凸包结构，凸包结构按照分形维数D以n尺度的形式分布在粘性土壤机械触土部件表面，呈阵列排布。
第i+1级尺度凸包分布在第i级尺度凸包的H i 处，H i =2/3R i (i=1,2,..n-1)，R i+1=DR i (i=1,2,..n-1)，R1为第1级尺度凸包半径且取值为15mm至30mm；H i 为第i+1级尺度凸包在第i级尺度凸包上的位置，R i+1为第i+1级尺度凸包半径。
所述分形维数D根据拓扑维数确定。
第1级尺度两凸包之间距离L0能取：L0=17.5 mm、20 mm或22.5 mm。
所述n取值为2至5。
当n取值为3时，第2级尺度两凸包之间夹角α为0°至90°，第3级尺度两凸包之间夹角β为30°至90°。
本发明的有益效果是：本发明基于分形理论的仿生多尺度凸包结构，用于粘性土壤机具触土部件表面，在原有凸包防粘减阻的能力下，进一步增强防粘减阻的能力，使得农业机具能够在粘性土壤区域里更好的作业。基于分形理论的仿生多尺度凸包，可对于粘性较大的土壤，减少摩擦力，降低阻力，在保证作业质量的前提下，减少了能耗损失，节约了生产成本。所采用的基于分形理论的仿生多尺度凸包，通过常规传统加工设备和工艺，基于现有我国机械行业标准进一步机械加工处理，用于粘性土壤机具触土部件表面，易于实现且大大增强了防粘减阻的能力，便于在全国大部分粘性土壤范围内推广使用。
附图说明
图1是本发明结构正视图；
图2是本发明结构侧视图；
图3是本发明结构俯视图；
图4是本发明结构运用到微型机水田旋耕刀面上的简单示意图；
图5是本发明结构运用到微型机水田旋耕刀面上的简单示意图的局部放大示意图；
图6是本发明结构运用到水田犁壁上的简单示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步说明，但本发明的内容并不限于所述范围。
实施例1：如图1-6所示，一种基于分形理论的仿生多尺度凸包结构，基于分形理论，凸包结构按照分形维数D=ln2/ln3=0.631以2尺度的形式分布在粘性土壤机械触土部件表面，呈阵列排布。
第2级尺度凸包分布在第1级尺度凸包的H1处，H1=2/3R1，R1取值15 mm至30 mm；H1为第2级尺度凸包半球体的球心到第1级尺度凸包半球体的球心至第1级尺度凸包半球体的侧视图半径的端点连线的垂直距离。
第1级尺度两凸包之间的距离L0 =17.5 mm。
实施例2：如图1-6所示，一种基于分形理论的仿生多尺度凸包结构，基于分形理论，凸包结构按照分形维数D=ln2/ln3=0.631以3尺度的形式分布在粘性土壤机械触土部件表面，呈阵列排布。
第2级尺度凸包分布在第1级尺度凸包的H1处，第3级尺度凸包分布在第2级尺度凸包H2处，H2=2/3 R2，H1=2/3 R1；第1级尺度凸包半径R1为15 mm至30 mm；第2级尺度凸包半径R2=D R1；第3级尺度凸包半径R3=D R2；所述的第2级尺度两凸包之间夹角α为0°至90°；第3级尺度两凸包之间夹角β为30°至90°；第2级尺度凸包在第1级尺度凸包上夹角γ=90-1/2α；第1级尺度两凸包之间距离L0=20mm。
如图2所示，第2级尺度凸包分布在第1级尺度凸包的H1为O1到OA的距离，第3级尺度凸包分布在第2级尺度凸包的H2为O2到O3C的距离，第1级尺度仿生凸包结构R1为第1级尺度凸包半径，第2级尺度仿生凸包结构R2为第2级尺度凸包半径，第3级尺度仿生凸包结构R3为第3级尺度凸包半径，所述的第2级尺度两凸包之间夹角α为OA1边与OA2边夹角，第3级尺度两凸包之间夹角β为O1B1边与O1B2边夹角，第2级尺度凸包在第1级尺度凸包上夹角γ为OA1边与OA边夹角；
其中，点O为第1级尺度凸包半球体的球心，点O1和O3为第2级尺度凸包半球体的球心，点O2为第3级尺度凸包半球体的球心，点A为第1级尺度凸包半球体的侧视图半径的端点，点A1、A2分别为OO1、OO3延长线与第2级尺度凸包半球体的交点，点B1、B2分别为过第2级尺度、第3级尺度凸包半球体的球心延长线与第3级尺度凸包半球体的交点，点C为第2级尺度凸包半球体的侧视图半径的端点。
实施例3：如图1-6所示，一种基于分形理论的仿生多尺度凸包结构，基于分形理论，凸包结构按照分形维数D=ln2/ln3=0.631以4尺度的形式分布在粘性土壤机械触土部件表面，呈阵列排布。
第2级尺度凸包分布在第1级尺度凸包的H1处，H1=2/3R1，第3级尺度凸包分布在第2级尺度凸包的H2处，H2=2/3R2，第4级尺度凸包分布在第3级尺度凸包的H3处，H3=2/3R3，R1取值15 mm至30 mm，R2=DR1，R3=DR2，R4=DR3；H i （i=1,2,3）为第i+1级尺度凸包半球体的球心到第i级尺度凸包半球体的球心至第i级尺度凸包半球体的侧视图半径的端点连线的垂直距离，R i （i=1,2,3,4）为第i级尺度凸包半径。
第1级尺度两凸包之间的距离L0 =22.5 mm。
实施例4：如图1-6所示，一种基于分形理论的仿生多尺度凸包结构，基于分形理论，凸包结构按照分形维数D=ln2/ln3=0.631以5尺度的形式分布在粘性土壤机械触土部件表面，呈阵列排布。
第2级尺度凸包分布在第1级尺度凸包的H1处，H1=2/3R1，第3级尺度凸包分布在第2级尺度凸包的H2处，H2=2/3R2，第4级尺度凸包分布在第3级尺度凸包的H3处，H3=2/3R3，第5级尺度凸包分布在第4级尺度凸包的H4处，H4=2/3R4，R1取值15 mm至30 mm，R2=DR1，R3=DR2，R4=DR3，R5=DR4；H i （i=1,2,3,4）为第i+1级尺度凸包半球体的球心到第i级尺度凸包半球体的球心至第i级尺度凸包半球体的侧视图半径的端点连线的垂直距离，R i （i=1,2,3,4,5）为第i级尺度凸包半径。
第1级尺度两凸包之间的距离L0 =20 mm。
实施例中多尺度凸包几何结构特点是：凸包呈多尺度分布，各尺度凸包位置紧密，作用于土壤时防粘减阻作用较强；凸包尺度采用三级，易于实现加工；多尺度形式可以减少第一尺度凸包数量，节约成本。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (6)

1.一种基于分形理论的仿生多尺度凸包结构，其特征在于：凸包结构按照分形维数D以n尺度的形式分布在粘性土壤机械触土部件表面，呈阵列排布。
2.根据权利要求1所述的基于分形理论的仿生多尺度凸包结构，其特征在于：第i+1级尺度凸包分布在第i级尺度凸包的H i 处，H i =2/3R i (i=1,2,..n-1)，R i+1=DR i (i=1,2,..n-1)，R1为第1级尺度凸包半径且取值为15mm至30mm；H i 为第i+1级尺度凸包在第i级尺度凸包上的位置，R i+1为第i+1级尺度凸包半径。
3.根据权利要求1所述的基于分形理论的仿生多尺度凸包结构，其特征在于：所述分形维数D根据拓扑维数确定。
4.根据权利要求1所述的基于分形理论的仿生多尺度凸包结构，其特征在于：第1级尺度两凸包之间距离L0能取：L0=17.5 mm、20 mm或22.5 mm。
5.根据权利要求1所述的基于分形理论的仿生多尺度凸包结构，其特征在于：所述n取值为2至5。
6.根据权利要求5所述的基于分形理论的仿生多尺度凸包结构，其特征在于：当n取值为3时，第2级尺度两凸包之间夹角α为0°至90°，第3级尺度两凸包之间夹角β为30°至90°。
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