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基于遗传算法的非光滑仿生推土板优化

陶敏  李建桥  刘庆怀  
【摘要】:人们在科研、生产、生活和其他活动中常常使用以土壤为工作介质的农业机械,它们在作业时都会不同程度地受到土壤的粘附,轻则影响工作效率,重则无法工作。为解决地面机械触土部件的粘附问题,人们尝试了多种方法,20世纪80年代开始从工程仿生学角度研究生活在土壤中的土壤动物的减附功能与降阻机理,为地面机械减粘脱附的仿生研究开辟了一条新途径。为了探讨触土部件仿生推土板的减粘降阻机理,本文根据典型土壤动物蜣螂所特有的减粘脱土功能的几何非光滑体表特征,建立了非光滑仿生推土板表面的数学模型,利用地面车辆力学理论之中贝克压力-沉陷的关系,给出土壤下压深度的计算公式,进而建立了优化仿生推土板的非凸非光滑优化模型,并借助于遗传算法在解复杂数学规划全局最优解时一般优于传统算法的优势,构建了求解该模型的遗传算法,通过数值计算,对于所选的粘土和重粘土,给出了几个不同单位土体压强下的非光滑仿生推土板的优化设计方案,并作了简单的分析与比较,得出如下结论:对于粘土和重粘土,在所设计的非光滑仿生推土板的表面参数下,当压强在一定范围内,能找到接触面积比平板面积小的仿生推土板,因此具有减粘降阻功能;当单位土体的压强过大时,接触面积将大于平板时的接触面积,此时非光滑板面的设计将不利于减粘降阻,选平面推土板更利于减粘降阻;在压强较大时,对于重粘土仍能找到比平板接触面积小的设计方案,而粘土却找不到,这可能是由于重粘土土壤颗粒之间的相互作用力较大,在推土过程中,更不易产生下陷,因此土壤与非光滑仿生推土板的接触面积也较小。所以说,根据实际工况,正确的设计非光滑仿生推土板的表面形状,即优化数学模型中的各个参数,是十分必要的。这一结果与土壤动物均生活在粘湿土壤的情况相近,与触土部件实际工作的情况也是相符的。

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