一种仿生履齿及其设计方法、深海集矿机技术

本发明专利技术公开了一种仿生履齿及其设计方法、深海集矿机。所述仿生履齿包括顶板和履齿；所述履齿具有竖直部和弯曲部；所述竖直部的顶端与顶板的下表面固定连接在一起，该竖直部的底端与弯曲部的顶端固定在一起；所述弯曲部向履齿的后侧弯曲。本发明专利技术的履齿仿照水牛蹄结构、可以使深海集矿机获得最大牵引力。

A Bionic Crawler and Its Design Method, Deep Sea Collector

The invention discloses a bionic crawler, a design method thereof and a deep-sea collector. The bionic caterpillar teeth include the top plate and the caterpillar teeth; the caterpillar teeth have a vertical part and a bending part; the top of the vertical part is fixedly connected with the lower surface of the top plate, and the bottom of the vertical part is fixed with the top of the bending part; the bending part bends to the rear of the caterpillar teeth. The crawler teeth of the invention imitate the structure of buffalo hoof, and can make the Deepwater collector obtain the maximum traction force.

【技术实现步骤摘要】
一种仿生履齿及其设计方法、深海集矿机
本专利技术涉及一种仿生履齿及其设计方法、深海集矿机，尤其适合作为深海集矿机上的履齿。
技术介绍
随着现代工业的快速发展，越来越多的陆地矿产资源正面临枯竭的威胁，海底矿产资源逐渐成为全球能源发展战略的热点，但由于深海稀软底质土具有比陆地土更大的孔隙比和含水率、更低的强度，履带式集矿机在深海采矿作业时极易打滑，降低了履带式集矿机的工作效率。因此，研究具有高牵引力的仿生履齿齿形对提高深海集矿机的行走效率具有重要意义。因此，为解决深化集矿机在深海作业环境中易打滑，行走困难等问题，有必要对深海集矿机履齿进行仿生优化设计，以提高其工作效率。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种仿生履齿及其设计方法、深海集矿机，该履齿仿照水牛蹄结构、可以使深海集矿机获得最大牵引力。为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种仿生履齿，包括顶板和履齿；其结构特点是：所述履齿具有竖直部和弯曲部；所述竖直部的顶端与顶板的下表面固定连接在一起，该竖直部的底端与弯曲部的顶端固定在一起；所述弯曲部向履齿的后侧弯曲，且曲率半径为R，所述竖直部的高度为L，以最大牵引力F作为目标函数，以履齿的顶端到曲率变化点的距离L为设计变量，以曲率变化点的初始曲率半径R为设计变量，建立仿生履齿优化数学模型如下式：根据本专利技术的实施例，还可以对本专利技术作进一步的优化，以下为优化后形成的技术方案：优选地，所述履齿的高度h为130mm，宽度b为850mm。优选地，所述L＝0，R＝151mm，所述履齿的顶端焊接在顶板上。为了提高履齿的可靠性，所述履齿的前侧面和后侧面均设有加劲肋，该加劲肋连接在履齿顶部与顶板之间。为了方便与链轨进行固定连接，所述顶板具有与链轨固定的结构；优选所述顶板开有螺栓孔，该顶板通过螺栓与所述链轨固定连接在一起。基于仿生学的原理，所述履齿整体呈水牛蹄形。基于同一个专利技术构思，本专利技术还提供了一种深海集矿机，其包括链轨和装在链轨上的多个履齿；所述履齿为所述的仿生履齿。基于同一个专利技术构思，本专利技术还提供了一种所述的仿生履齿的设计方法，其包括如下步骤：S1、根据水牛蹄的几何轮廓建立了仿生履齿的几何曲面模型图，其中履齿齿顶到履齿曲率变化点的距离为L，履齿曲率半径为R；S2、以最大牵引力F作为目标函数，以履齿的顶端到曲率变化点的距离L为设计变量x1，以曲率变化点的初始曲率半径R为设计变量x2；建立仿生履齿优化数学模型如下式：S3、在0≤x1≤130，0≤x2≤1100的范围内，随着x1和x2的增加，牵引力F呈现先减小后增大的趋势，故以F与齿顶到曲率变化点的距离L和变化点初始曲率半径R所得的二次响应回归方程为基础，建立仿生履齿优化数学模型如式所示：S4、考虑到集矿机的仿生履齿高度取130mm，牛蹄角曲率变化点的角度小于60°，故设计变量x1、x2的约束条件如下：s.t.gm(X)＝0(m＝1,2,3,4)其中；gm(X)定义为齿型参数约束方程，m就是约束方程的个数；对目标函数进行优化，得到最优解为：x1＝0，x2＝151，Fmax＝632.67，其中Fmax即为最大牵引力。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术结构简单紧凑，制作容易，材料为铝合金，抗腐蚀性高，经过实验和数值仿真分析，验证了上述参数的履齿可以获得最大的牵引力,解决
技术介绍
中所提出的集矿机在深海作业环境中易打滑，行走困难等问题。附图说明图1是本专利技术一个实施例简化的水牛蹄模型图；图2是履齿牵引力最大履齿的齿型图；图3是加劲肋的平面图；图4是加劲肋分布图；图5是数值仿真分析履齿切削土体平面图；图6是本专利技术一种实施例的实验装置图；图7是二元一次拟合曲线，拟合相关系数0.72；图8是二元二次拟合曲线，拟合相关系数0.96；图9是有限元模拟直板履齿的土体应力云图；图10是有限元模拟仿生履齿A(L＝30mm,R＝500mm)土体应力云图；图11是有限元模拟仿生履齿B(L＝110mm,R＝900mm)土体应力云图；图12是二元二次拟合曲线图像。在图中1-顶板；2-履齿；3-加劲肋；4-螺栓孔；21-竖直部；22-弯曲部；5-深海土；6-小车；7-电机；8-力传感器；9-牵引链条。具体实施方式以下将参考附图并结合实施例来详细说明本专利技术。需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。一种针对深海稀软底质土具有高牵引力的仿生履齿，如图1和2所示，包括顶板1、垂直焊接在顶板的履齿2和加劲肋3。其中顶板上有螺栓孔4，以便于与链轨固定。顶板1的尺寸为(850mm×195mm)，履齿2尺寸半径R为151mm，高度h为130mm，宽度b为850mm。4对加劲肋3每侧布置4个，加劲肋3起加固作用，其中顶板1、履齿2、加劲肋3材料均为6mm厚轻质高强铝合金板材，其结构简单紧凑，制作容易，抗腐蚀性高，经过实验和数值仿真分析，发现上述齿型参数的履齿可以获得最大的牵引力。如图1所示，本实施例根据水牛蹄的几何轮廓建立了仿生履齿的几何曲面模型图，其中齿顶到曲率变化点的距离L和曲率半径R为本专利技术仿生履齿的重要参数。为了确定仿生履齿最优重要参数，本专利技术采用数值仿真分析给出最优齿型参数。考虑到第二代深海集矿机的仿生履齿高度h为130mm，故可选择齿顶到曲率变化点的距离L(0mm,30mm,70mm,110mm)与变化点初始曲率半径R(150mm,500mm,700mm,900mm)为仿生履齿设计参数进行有限元模拟，研究在不同仿生履齿参数下仿生履齿的牵引力特性。本专利技术首先通过直板履齿切削深海底质土试验来验算有限元计算的精度，图6为深海集矿机直板履齿的牵引力试验装置，将含水率为165.6％、粘聚力C为6.0kPa以及内摩擦角φ为1.72°的模拟土置于实验土槽中，选择高度为130mm，宽度B＝40mm和B＝100mm的直板履齿固定在小车上。并将通过小车和丝杆中间的NS-WL1型拉力传感器每隔0.1S自动记录的牵引力-时间关系曲线转化为牵引力-位移关系曲线。为了对应直板履齿有限元模拟中1mm平面应变厚度，对宽度为40mm和100mm的直板履齿试验数据采用差值法，获得了直板履齿宽度为1mm时的牵引力-位移曲线，将试验结果与模拟的结果进行比较，发现试验测得的最大牵引力为142.12N，模拟测得的最大牵引力为128.75N，且试验与模拟测得的最大牵引力最大误差、最小误差分别为9.41％、0.44％，平均误差为0.89％，这说明有限元数值仿真具有较高的计算精度。上述一种针对深海稀软底质土具有高牵引力的仿生履齿，优选的，所述由于有限元具有较高的计算精度，齿型参数在ABAQUS/Explicit求解器中进行仿生履齿剪切土体的动态模拟。上述一种针对深海稀软底质土具有高牵引力的仿生履齿，优选的，所述建立仿生履齿切削模型如图5所示，其中深海底质土模型尺寸为500mm×400mm，采用可以控制沙漏的CPE4R单元划分网格。考虑到仿生履齿的刚度远远高于深海底质土，可以假定仿生履齿为刚体，并在刚体上设置参考点以计算作用在仿生履齿上的反作用力，并在刚体(仿生履齿)上施加x方向的速度，对土体底本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种仿生履齿，包括顶板(1)和履齿(2)；其特征在于：所述履齿(2)具有竖直部(21)和弯曲部(22)；所述竖直部(21)的顶端与顶板(1)的下表面固定连接在一起，该竖直部(21)的底端与弯曲部(22)的顶端固定在一起；所述弯曲部(22)向履齿的后侧弯曲，且曲率半径为R，所述竖直部(21)的高度为L，以最大牵引力F作为目标函数，以履齿的顶端到曲率变化点的距离L为设计变量x1，以曲率变化点的初始曲率半径R为设计变量x2，建立仿生履齿优化数学模型如下式：

【技术特征摘要】
1.一种仿生履齿，包括顶板(1)和履齿(2)；其特征在于：所述履齿(2)具有竖直部(21)和弯曲部(22)；所述竖直部(21)的顶端与顶板(1)的下表面固定连接在一起，该竖直部(21)的底端与弯曲部(22)的顶端固定在一起；所述弯曲部(22)向履齿的后侧弯曲，且曲率半径为R，所述竖直部(21)的高度为L，以最大牵引力F作为目标函数，以履齿的顶端到曲率变化点的距离L为设计变量x1，以曲率变化点的初始曲率半径R为设计变量x2，建立仿生履齿优化数学模型如下式：2.根据权利要求1所述的仿生履齿，其特征在于，所述履齿(2)的高度h为130mm，宽度b为850mm。3.根据权利要求1所述的仿生履齿，其特征在于，所述L＝0，R＝151mm。4.根据权利要求1所述的仿生履齿，其特征在于，所述履齿(2)的顶端焊接在顶板(1)上。5.根据权利要求1所述的仿生履齿，其特征在于，所述履齿(2)的前侧面和后侧面均设有加劲肋，该加劲肋连接在履齿(2)顶部与顶板(1)之间。6.根据权利要求1所述的仿生履齿，其特征在于，所述顶板(1)具有与链轨固定的结构；优选所述顶板开有螺栓孔，该顶板通过螺栓与所述链轨固定连接在一起。7.根据权利要求1所述的仿生履齿，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：马雯波，赵增刚，蔡青，李家平，黄天宝，胡聪，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43