一种仿山羊足底越坡胎面花纹结构及其设计方法

1.本发明涉及工程仿生技术领域，具体涉及一种仿山羊足底越坡胎面花纹结构及其设计方法。


背景技术：

2.我国耕地地形丰富多样，农田耕地在平原、高原、丘陵、盆地、山地均有分布，丘陵山区耕地面积在总耕地面积中占比较大，丘陵山区农业高效稳定生产能够有力保证我国农业可持续发展。丘陵山区农业耕地分散，单个地块面积小且形状不规则，耕地之间的道路狭窄坎坷，农用装备和化肥农药难以运入、丘陵山区农产品无法及时运出，造成资源浪费，不利于农业生产。农用运输车辆其结构简单、操作灵活、机动性强、维修成本低，有较强的越坡能力，因此轮式运输机受到农民的普遍接受，在丘陵山区普及率较高。
3.轮胎是农用运输车辆与地面接触的重要部件，轮胎胎面花纹的形状、排列角度和结构对车辆的附着性能、抓地性能、越坡性能等有重要影响。随着对轮胎性能提高和仿生学科发展，将动物足部某些优越功能与轮胎结构相结合，设计仿生轮胎花纹，以提高轮胎的性能逐渐成为轮胎制造行业一种创新的思路。山羊为了采食和躲避天敌的追捕，它们必须时常奔跑在泥泞地形或是岩石上，经过漫长的进化，山羊足掌表面已进化出能适应不同地面的非规则形状，附着能力较强。
4.因此，以山羊足底为仿生原型，研制出一种仿山羊足底越坡胎面花纹结构，以提高农用运输车辆的通过性能，这对提高丘陵山区的机械化水平具有重要意义。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明提供一种仿山羊足底越坡胎面花纹结构及其设计方法，能够提高农用车辆在坡度地形下轮胎的越坡性能，以提高农用车辆在丘陵山区等复杂地形下的通过性能。
6.为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种仿山羊足底越坡胎面花纹结构，包括设在胎面上的多个仿生单元花纹块，所述仿生单元花纹块由仿生单元闭合轮廓曲线放大拉伸后形成，所述仿生单元闭合轮廓曲线是由内侧曲线、外侧曲线和两端的圆弧构成的闭合曲线，其中，外侧曲线和内侧曲线来源于山羊足底轮廓拟合曲线，外侧曲线满足以下方程：y=0.0012x
3-0.2874x2 24.326x-707.52，其中65≤x≤84mm；内侧曲线满足以下方程：y=0.0005x
3-0.1511x2 14.633x-487.22，其中70≤x≤94mm；两端的圆弧与内、外侧仿生曲线相切，圆弧一圆心为o1（-0.01，27.94），半径r=2.5mm，圆弧二圆心为o2（-11.67，-4.68），半径r=9mm。
7.所述仿生单元花纹块由所述仿生单元闭合轮廓曲线放大2倍之后施以一定的壁厚进行拉伸形成，所述仿生单元花纹块的高度为15mm，壁厚5mm，内部凹槽深度10mm。
8.所述仿生单元花纹块在胎面上分左右两列镜像错位排列，以两个圆弧的圆心连线作为花纹块的中心线，每个花纹块与胎面水平位置之间的夹角均为35度，两列花纹块总体呈人字形排列。
9.一种仿山羊足底越坡胎面花纹结构的设计方法，包括以下步骤：（1）山羊足底模型提取：通过ct断层扫描技术对山羊足底进行扫描，获取数据以dicom格式存储，采用mimics软件对数据进行提取得到山羊足底几何模型；（2）山羊足底模型重构：将山羊足底几何模型导入到3-matic软件，通过表面平滑、过滤噪点、填充孔洞、网格细化等命令，对足底几何模型边缘轮廓点云处理，并将模型以点云格式导出；（3）山羊足底边缘轮廓点云提取：在catia软件中，对点云模型进行对正，按照足底边缘轮廓曲率高低提取外侧和内侧点云数据，导出asc格式；（4）山羊足底边缘曲线拟合方程：通过1stopt软件将asc的点云数据保存为含有x，y坐标值的excel文件，并采用excel软件对数据进行多项式拟合，得到山羊足底的边缘轮廓曲线方程：外侧曲线：y=0.0012x
3-0.2874x2 24.326x-707.52，其中65≤x≤84mm；内侧曲线：y=0.0005x
3-0.1511x2 14.633x-487.22，其中70≤x≤94mm；（5）构建仿生单元闭合轮廓曲线：将得到的外侧曲线和内侧曲线输入到solidworks中，运用方程式驱动曲线命令，绘制出胎面仿生单元内外两条轮廓曲线，仿生单元两端采用圆弧与内外侧曲线相切，形成仿生单元闭合轮廓曲线，其中，圆弧一圆心为o1（-0.01，27.94），半径r=2.5mm，圆弧二圆心为o2（-11.67，-4.68），半径r=9mm；（6）构建胎面花纹结构：结合实际胎面花纹尺寸，将由两条边缘轮廓曲线和两条圆弧组成的仿生单元闭合轮廓曲线整体扩大2倍，向外延伸壁厚5mm，拉伸高度15mm，底面拉伸高度5mm在内部形成10mm高的凹槽，形成单个仿生单元花纹块；所述仿生单元花纹块与胎面水平位置成35
°
，并按照左右镜像错位排列，形成仿山羊足底越坡胎面花纹结构。
10.有益效果：本发明以山羊爬坡中的足底轮廓曲线为仿生原型，结合工程仿生理论，完成仿山羊足底越坡胎面花纹结构设计，能够提高轮胎附着性能，进而提高农用运输车辆在丘陵山区复杂地形的通过能力。
附图说明
11.图1 为山羊足重构模型图；图2为山羊足点云；图3为山羊足曲率分析图；图4为山羊足底点云提取示意图；图5为外侧曲线拟合方程图；图6为内侧曲线拟合方程图；图7为仿生单元轮廓闭合曲线；图8为单个仿生单元花纹块；图9为仿山羊足底越坡胎面花纹结构；图10 为附着力仿真结果。
12.附图标记： 1外侧曲线，2内侧曲线，3圆弧一，4圆弧二，5外侧点云数据，6内侧点云数据，7左列花纹块，8右列花纹块，9胎面。
具体实施方式
13.下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。
14.经研究发现山羊足部的单个脚趾呈“v”型生物结构，有利于足部嵌入土壤中，产生抓地力，山羊后足在山羊越坡中发挥重大作用，本发明以山羊后足外侧脚趾边缘轮廓为仿生原型，获取足部外脚趾边缘拟合曲线方程。
15.本发明使用的样本是成年的波尔山羊，山羊足底v型结构有利于其在爬坡中足部切入土壤，产生较强抓地力，使山羊具有优越爬坡能力，挑选足底边缘轮廓完整清晰的波尔山羊作为仿真来源，构件仿山羊足底越坡胎面花纹结构，具体方法如下：（1）山羊足底ct扫描：采用ct断层扫描技术对山羊足底进行扫描，ct扫描电压140kv，电流240ma，层厚0.6mm，将获得数据以dicom格式存储。
16.（2）山羊足底模型提取：通过mimics软件，选择-300hu~225hu阈值范围，提取山羊足底模型，处理速度快，噪点较少，足部边缘轮廓清晰，。
17.（3）山羊足底模型重构：利用3-matic软件，采用删除孤点、孔洞填平、过滤噪点、表面平滑、网格细化等命令，完成模型重构如图1所示（其中图1（a）为山羊足整体模型，图1（b）为山羊足底模型），对其进行偏差分析，误差在0.041~-0.039之间，在工程误差允许范围内，将其存储为点云格式，如图2所示（其中图2（a）为山羊足整体点云，图2（b）为山羊足底点云）。
18.（4）山羊足底边缘轮廓点云提取：在catia软件中，如图3所示对点云模型进行曲率分析，按照足底边缘轮廓进行曲率高低提取外侧内侧点云数据5和内侧点云数据6，如图4所示，导出asc格式。
19.（5）山羊足底边缘曲线拟合方程：通过1stopt软件将asc的点云数据保存为含有x，y的坐标值的excel文件，并采用excel软件对数据进行多项式拟合，得到边缘轮廓曲线方程，分别如图5-6所示，其中，外侧曲线1方程：y=0.0012x
3-0.2874x2 24.326x-707.52，其中65≤x≤84mm；内侧曲线2方程：y=0.0005x
3-0.1511x2 14.633x-487.22，其中70≤x≤94mm。
20.（6）构建仿生轮廓闭合曲线：将得到的外侧曲线和内侧曲线输入到solidworks中，运用方程式驱动曲线命令，绘制出胎面仿生单元内外两条轮廓曲线，结合山羊足底实际轮廓情况与加工实际工艺，仿生单元两端采用圆弧与内外两侧曲线相切，形成仿生单元闭合轮廓，如图7，其中，圆弧一3圆心为o1（-0.01，27.94），半径r=2.5mm，圆弧二4圆心为o2（-11.67，-4.68），半径r=9mm。
21.（7）构建胎面花纹结构：根据普通人字形花纹尺寸，对仿生单元闭合轮廓整体扩大2倍，向外延伸壁厚5mm，拉伸高度15mm，底面拉伸高度5mm在内部形成10mm高的凹槽，形成单个仿生单元花纹块，如图8所示；所述仿生单元花纹块与胎面水平位置成35
°
，在胎面上按照“人”字形排列多个花纹块，形成仿山羊足底越坡胎面花纹结构如图9所示。
22.其中，所述35
°
角的定义为，以两端圆弧的圆心连线作为单个花纹块的中心线，该中心线与胎面水平线之间呈35
°
夹角，左列花纹块7和右列花纹块8镜像错位排列在胎面9
上。
23.根据上述方法得到的仿山羊足底越坡胎面花纹结构，包括设在胎面上的多个仿生单元花纹块，所述仿生单元花纹块由仿生单元闭合轮廓曲线放大拉伸后形成，所述仿生单元闭合轮廓曲线是由内侧曲,2、外侧曲线1和两端的圆弧构成的闭合曲线，其中，外侧曲线1和内侧曲线2来源于山羊足底轮廓拟合曲线，外侧曲线1满足以下方程：y=0.0012x
3-0.2874x2 24.326x-707.52，其中65≤x≤84mm；内侧曲线2满足以下方程：y=0.0005x
3-0.1511x2 14.633x-487.22，其中70≤x≤94mm；两端的圆弧与内、外侧仿生曲线相切，圆弧一圆心为o1（-0.01，27.94），半径r=2.5mm，圆弧二圆心为o2（-11.67，-4.68），半径r=9mm。
24.所述仿生单元花纹块由所述仿生单元闭合轮廓曲线放大2倍之后施以一定的壁厚进行拉伸形成，所述仿生单元花纹块的高度为15mm，壁厚5mm，内部凹槽深度10mm。
25.所述仿生单元花纹块在胎面上分左右两列镜像错位排列，以两个圆弧的圆心连线作为花纹块的中心线，每个花纹块与胎面水平位置之间的夹角均为35度，两列花纹块总体呈人字形排列；在一个具体的实施例中，同一列花纹块的上下间距为95mm，左右两列花纹块的圆弧二圆心连线间距为121mm。
26.本发明以山羊足底轮廓为仿生原型，通过工程仿生学原理，复制山羊足底优越爬坡性能，研制仿山羊足底越坡胎面花纹结构，将本发明的仿山羊足底越坡胎面花纹结构与普通人字形花纹进行仿真分析，如图10所示，结果表明，在同等条件下，本发明的胎面花纹结构相比普通人字形花纹附着能力提高了9.4%，增强了农用车辆越坡性能，这对提高丘陵山区的机械化水平具有重要意义。
27.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。