树木移植机铲刀拓扑优化-硕士专业学位论文开题报告.doc

xxxx大学硕士专业学位论文开题报告姓 名： 学 院 （室）： 机电工程学院 学 科： 农业机械化 研 究 方 向： 机械结构优化 指 导 教 师： 入 学 年 月： 2012年9月 填表时间： 2013 年 06 月 28 日论文题目树木移植机铲刀拓扑优化一、论文选题的目的意义 在园林建设中，树木给人以最直观的视觉效应，所以树木的栽植成为了园林建设工作中的重中之重。在日常生活中、在新开发的小区、在新建的公园游乐场，甚至像北京奥运会工程、世博会工程等，常常能够看到栽植大型的树木的工作，而且由于工程的特殊、时间的限制，绿化工作经常要打破树木的生长规律（比如在树木不该移植的时候移植等），打破季节的限制，进行非正常的季节施工。所以常年的树木移植工作是必须的，尤其在我国近几年来飞速发展的时代。 在20世纪90年代以来，园林绿化工作部门又提出来了“植大树、见大绿”的口号，在城市的绿化工作中常常移植已经长成的大树，而移植已经长成的大树违背了树木的自然成长规律，更别说在不宜移植树木的季节移植大树。树木的带土移植为不宜移植树木的季节移植大树工作提供了技术保障，但是树木的带土移植在我国刚开始是靠手工作业，工序有：挖土球、包扎土球或钉板箱、起重、运输、挖栽植坑、栽植、浇灌等。这样费工费时、作业安全性差、劳动强度大、成活率不高（特别是移栽树木的直径超过15厘米的高大树木）。树木移植机的应用能够明显的改善以上的状况。因为树木移植机的特点如下：1 生产率高，树木移植机的生产率是人工的五、六倍以上，并且成本可降低一半以上（树木的直径越大，效果越明显）；2 成活率高，几乎可达到100%；3 可以延长树木的移植作业季节，使得园林建设的工作不仅仅可以在春季开展，在夏天和秋季也可以开展，并且成活率几乎不受季节的影响；4 减轻工人的劳动强度，提高了工人的工作安全性；5 树木移植机可以适应复杂的土壤条件。不仅可以在正常的土壤条件下工作，而且可以在石块、瓦砾比较多的地方作业。树木移植机的树铲是整个树木移植机的一个关键部位，在工作过程中起着重要作用：首先，当铲刀刀刃切开土壤时，铲刀使得土壤分离，由于刀刃面的作用使得刃口侧面的土壤产生一侧的运动，同时还有向下的运动。而向下的运动使得土壤有了向下的位移，使得下层土壤产生压实，而刀刃面使得土壤产生一侧的运动看成一个薄的垂直刃口在土壤中的运动。铲刀下铲过程中刀刃面使得土壤产生的侧面位移较小，该位移量仅仅被该侧的土壤所吸收，使得该侧土壤产生压实，所以得到结论：铲刀的入土过程使得两个方向上的土壤产生压实现象，进而受到两个方向上的土壤对其的作用力。在树木移植机的挖树过程中，它是挖树的所有力的承载者，包括树木移植机给它的驱动力和在入土过程中铲刀受到的所有阻力，所以铲刀的结构决定了铲刀在入土过程中受到的阻力。因此，它的结构直接决定了在相同的工况下，铲子入土时的受力情况和平稳情况；第二，在挖树工作完成之后，在树木的和土球的被提升过程中，铲刀是树木和土球的受力者。在树木和挖出的土球提升的情况下，铲刀所有的重力载荷经过计算，重力可达5060kN（树木的质量加上土球的质量）。基于上述的力学分析，提高铲刀的寿命与效率，研究铲刀对于发展树木移植机有着重要的作用。二、国内外相关研究现状及发展趋势树木移植机于20世纪60年代首次出现在美国，在当时它是一种全新概念的植树机械。在美国、日本、德国等国发展比较迅速。刚开始，它只适用于城市的园林部门，主要用以移植胸径较大的树木。到了七十年代后期，它的使用范围又迅速扩展到了林场，苗圃、果园，用于一般带土苗木的移植。按照配用动力的种类，树木移植机可分为自行式、牵引式、和悬挂式三类，美国、德国等国大量发展的都为自行式树木移植机，有些已经成系列，使得树木移植机适用于不同地面条件和工作环境的需要。其中，国外最具有代表性的是美国生产的大约翰（Big John）树木移植机，北京市林业局1979年购买了一台美国大约翰树木移植机，绿化二大队通过近两年来的使用实践表明，它具有移植效率高、费用成本低、树木容易成活等一系列优点。这种树木移植机自此便引起了我国园林、林业、园艺等部门的广泛注意和兴趣。大约翰树木移植机是以万国（International）载重汽车作为底盘，直接去掉货车厢，换成移植树木的工作装置。但是由于它的体积、重量都很大，它因此只能在空旷地区使用，遇到不能开过去的地方就无法使用。日本洋马公司生产的YMD-50型树木移植机，其工作装置设置在小型拖拉机前方，由液压马达通过减速装置带动切土部件转动，切入土壤以完成树木挖掘工作。此树木移植机功率为6.34kW，挖掘土球直径500mm，正常条件下挖掘一棵树，仅仅需要1分钟。该机外形尺寸小，结构紧凑，挖掘速度快，适合在林地中选择性挖掘和移植带土苗林。 意大利研制的好马克（HOLAMC）树木移植机三种型号，可以完成树根土球直径可在0.25-1.40m范围内操作。根据被移植的树木的生长密度、地形等条件及对树根土球的尺寸要求，选择0.25-1.40m不同型号的移树机和刀具，就能高效、省力、高质量地完成大批量挖掘移植树木的工作。德国生产的OPIMAL树木移植机，其工作装置安装在轮式拖拉机的前部，其机构类似前置装载机，挖树铲代替了铲取物料的铲斗。树木移植机在60年代在国外出现，到了70年代后期才引入到我国，引起国内相关部门的关注，并且陆续开展了一些关于树木移植机的研究工作，尤其是铲刀部分的研究工作。铲刀是树木移植机的关键性作业零件，它的结构和尺寸直接影响到铲刀在入土过程中的受力情况。而国内外到现在为止，都没有计算铲刀在入土过程中的阻力计算模型，所以在设计过程无法获得在设计过程中的相关数据的准确值，影响了设计水平。因为没有精确的铲刀在入土过程中的阻力计算模型，国外用相似的理论为基础来研究这个难题。比如在1970年，美国夏威夷大学农业工程系的Jaw-Kai Wang教授提出的土壤-机器系统，它具有模型容易制造，容易控制实验等优点，有利于突出主要因素，而且得出的结果可以推广到所有相似现象中的特点，变成了研究这一方向课题的有力工具。 Jaw-Kai Wang教授认为：在土壤-机器系统中，一种具有特性、等的土壤可以看作是另一种具有特性、等的土壤模型，而尺寸因子可取为从变数，它的值决定于这两种土壤特性的差别。也就是说Jaw-Kai Wang教授认为可以用一组变量来衡量各种土壤。国内用于树木移植机的机械目前还处于研究开发阶段，现在成型的树木移植机主要有杭州园林机械厂生产的2ZS-150型树木移植机、湖南林业工业研究所自行研制的2QT-50型树木移植机以及江苏大学与徐州丰县果蔬特种机械厂联合研制的4YS-600型树木移植机等。4YS-600型树木移植机是一种新型的中小型树木移植机，主要用于城市园林部门、果园、林场等处，它的挖土球直径是600mm，移植树木径级90-150mm，它采用通用装载机（或拖拉机）作为母机，充分利用原有的动力，可大大降低成本。具有较高程度作业自动化，减少操作人员数量及劳动强度。易于控制开挖深度、土球直径，做到“挖最少的土，保留最多的根系”，减少手工移植过程对树木的损伤，提高树木成活率；整台移植机械依据苗圃特点而设计，小巧灵活，解决苗圃中、小型树木选择性移植的难题。 2ZS-150型树木移植机是杭州园林机械厂生产的车载四铲式树木移植机，该机与大约翰树木移植机结构相似。树木移植机工作装置通过专门机架固定于汽车后部。运输时工作装置平放在汽车底板上，工作时直立于车尾部。该机可完成挖掘、起吊、搬运、栽植等多道工序作业，效率高，特别适合于城市道路、绿地及庭院移植大中型树木，树根土球直径达1300-1500mm，土球深度1000-1050mm。 2QT-50型树木移植机是二十世纪就是年代由湖南林业研究所自行研制，在当时是国内唯一种弧形三铲式全液压驱动带土起苗机械。该机以通用的FCI型前翻斗车作为底盘，不仅可以移植地径80mm以下的苗木，还能挖坑和移植苗木。 在我国的树木移植机的研究中，很大的精力和重心放在了结构和原理的研究，对于树木移植机的优化研究工作不很重视，而对铲刀在入土过程中的阻力计算这个问题上，国内研究的资料比较少，而铲刀在入土过程中的阻力计算模型也很少。所以国内的树木移植机的铲刀结构在设计过程中也缺少在设计过程中的相关数据的精确值。但是从节省材料，节约能源和提高整机的性能方面来讲，优化研究工作是必不可少的。 三、研究的主要内容（1）基于拓扑优化方法对铲刀优化设计的总体方案研究将拓扑优化方法运用铲刀部分的形状优化中，确定总体的研究方案。（2）铲刀结构的模型建立，并导入ANSYS进行网格划分收集现有成型的铲刀，用NX建立铲刀的三维模型；铲刀结构模型导入ANSYS软件，定义单元类型、定义时常数、定义材料参数、网格划分、加载边界条件等。以哈尔滨的土壤为基准来研究。（3）拓扑优化计算建立好拓扑优化模型之后，运动ANSYS的求解模块对铲刀寿命与效率为优化目标，进行拓扑优化计算。（4）优化工作完成后的可制造型处理 根据所学的机械加工工艺和加工方法的知识，对已经优化完成的结构进行可制造型处理，使得优化完成的结构能够在车间中制造出来。 （5）优化后的模型与原模型的对比分析 对比铲刀优化前后的结构尺寸和在优化前后的受力情况，使得优化后的结构不仅能够满足铲刀优化前的受力情况，而且使得铲刀的结构更加合理化。四、研究方法与技术路线1.研究方法：（1）本课题以三维设计和现代拓扑优化方法为基础，运用最优设计理论，根据模型中的问题（高效率和长寿命），建立起优化设计的数学模型，采用遗传算法找既满足条件又是目标函数最优的设计方案。（2）在ANSYS得到一系类相关数据数据之后，运用多目标优化的的理论，得出各个参数对于铲刀的影响，进而而到最优值。查阅相关资料2.技术路线分析整理相关文献建立三维模型将模型导入ANSYS确定铲刀关键参数取值范围用ANSYS对其进行结构拓扑优化分析，确定结构是否合理否是确定铲刀的参数取值可制造性处理前后结构对比分析图1 技术路线图研究的关键点在于：定义边界条件、定义优化参数、确定优化目标函数、优化后的模型是否具有良好的可制造性，优化为更加省力的铲刀结构。五、开展研究已具备的条件、可能遇到的困难与问题及拟解决措施1 已具备的条件在本科期间，学习并且掌握了像UG和PRO/E的三维设计软件的操作，这对于在建模这块有很好的基础，而且学习并且掌握了理论力学和材料力学的理论知识，在施加载荷和进行受力分析时有了一定的力学基础。在这段时间也查阅了大量的关于植树机和优化设计和的资料，对植树机的原理和优化设计方面有了一些了解，在导师的指导下可以认真完成。2 可能遇到的困难及解决措施在软件应用方面，ANSYS软件的建模和拓扑优化分析操作缺少实战欠缺，这对以后的优化分析是一个障碍。在研究的过程中我会与导师及时沟通，遇到的问题及时请教老师，予以解决。六、研究进度安排2012年9月2013年6月 阅读主要参考文献，对所需用到的软件进行学习。2013年7月2013年9月 开始建模和对其分析，获取实验数据。2013年10月2014年1月 进行拓扑优化，得到优化的尺寸，对比优化前后的尺寸。2014年2月2014年4 月 整理实验数据结果，论文撰写。2014年5月2014年6 月 对论文进行整理，准备答辩。 七 、已阅读的主要文献及参考资料1刘震宇. 微型及小型柔性机械结构的拓扑优化设计方法D.大连理工大学,2000. 2梅玉林. 拓扑优化的水平集方法及其在刚性结构、柔性机构和材料设计中的应用D.大连理工大学,2003. 3左孔天. 连续体结构拓扑优化理论与应用研究D.华中科技大学,2004. 4叶红玲. 连续体结构静力拓扑优化方法与软件开发D.北京工业大学,2005. 5贾海朋. 结构与柔性机构拓扑优化D.大连理工大学,2005. 6崔明涛. 不确定性连续体结构拓扑优化和柔性机构设计研究D.西安电子科技大学2006. 7杨姝. 复杂机械结构拓扑优化若干问题研究D.大连理工大学,2007. 8吴卫. 人体血管支架有限元分析与结构拓扑优化D.大连理工大学,2007. 9庄春刚.基于水平集的多材料结构拓扑优化设计方法与应用D.上海交通大学,200710付永清,张宪民. 结构及柔顺机构拓扑优化设计中的拓扑图提取J. 力学进展,2006,01:75-84. 11刘寅东,卞钢. 基于ANSYS的结构拓扑优化及其二次开发J. 船舶力学,2006,02:120-125. 12谢涛,刘静,刘军考. 结构拓扑优化综述J. 机械工程师,2006,08:22-25. 13隋允康,叶红玲,彭细荣,张学胜. 连续体结构拓扑优化应力约束凝聚化的ICM方法J. 力学学报,2007,04:554-563. 14郭中泽,张卫红,陈裕泽. 结构拓扑优化设计综述J. 机械设计,2007,08:1-6. 15范文杰,范子杰,苏瑞意. 汽车车架结构多目标拓扑优化方法研究J. 中国机械工程,2008,12:1505-1508. 16刘庆,侯献军. 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