Al2O3/PA612复合材料的机械性能和非线性动力学在具有间隙的移植物机制中的应用

《Composites Communications》：Mechanical properties and nonlinear dynamics of Al2O3/PA612 composites in a transplanting mechanism with clearance

　　

王欢|钱梦博|潘佳轩|刘丽娜|周迈勒|侯北斗|宋平安

浙江农业与林业大学光机工程学院，中国杭州311300

摘要

先前的研究表明，柔性材料更适合适应机械的动态运动。寻找能够替代传统金属的聚合物复合材料可以实现这种灵活性，从而有助于减轻带有间隙关节的移植机械中的非线性问题。然而，聚合物复合材料的力学性能如何影响其非线性动态特性至今仍不清楚。在这项研究中，我们提出了一种有前途的方法，使用Al₂O₃/PA612复合材料作为这类机械中的金属材料替代品。通过结合功率谱熵和熵权重方法，我们定量评估了材料性能对移植机械动态行为的影响。接触力的最小信息熵和收敛的熵权重表明，带有间隙关节的机械处于动态平衡状态。结果表明，与纯PA612相比，30 wt%的Al₂O₃/PA612复合材料显示出最低的总接触力信息熵。此外，X、Y和Z方向上的接触力熵权重更接近平均接触力熵权重。这项工作表明，30 wt%的Al₂O₃/PA612复合材料对移植机械的非线性影响相对较小，为机械优化和原型制造提供了新的视角。

引言

移栽机是一种精密农业机械，其核心的移栽机构通过采摘-运输-种植循环实现苗木处理自动化。数十年的广泛研究使这些系统在全球得到了完善[1]。根据苗木采摘方式，移栽机构可分为三种类型：喷射式[2]、滴落式[3]和抓取式[4]。喷射式机构包括伺服推杆[5]、凸轮[6]和曲柄摇杆[7]机构；滴落式机构包括吹气[8]和负压系统[9]；而抓取式变体包括滑轨[10]、多连杆[11]和行星齿轮传动机构[12]。其中，行星齿轮传动机构因其稳定的苗木回收能力、高运行效率和良好的地形适应性而在农业中得到广泛应用。

移栽机构的动态行为对其运行效率有着至关重要的影响。传统的动态分析通常将机构铰链视为理想的无摩擦关节[13]。然而，诸如加工公差、摩擦磨损和高速运行等因素会导致不可避免的关节间隙，而工作载荷下的部件相互作用会引起弹性变形。将材料柔性纳入动态模型可以提高响应精度，这也促使近期研究结合关节间隙和材料柔性分析来更真实地表征机械性能。Tian等人[14]系统地分析了具有关节间隙的多体系统，而Wang[15]、Song[16]和Chen[17]研究了柔性系统中的间隙引起的动态偏差，考虑了摩擦-润滑效应和材料异质性。Chu等人[18]使用多体动力学驱动的多学科设计优化（MDO）框架优化了一种行星椭圆齿轮移栽机构。Yu等人[19]设计了一种非圆形齿轮混合传动系统，以减少高速移栽过程中的刚体冲击载荷。Bai等人[20]通过滑块-曲柄和双摆系统的动态模拟研究了径向和轴向间隙的影响，将接触力模型与多体动力学结合起来。Li等人[21]通过多体系统的运动学-动力学建模表征了销槽间隙关节的行为。Skrinjar等人[22]通过结合运动学约束和接触动力学，开发了一种经过实验验证的此类关节模型。Jiang等人[23]提出了一种等效关节模型，使用横向扭转弹簧系统来表征带有间隙连接的梁结构的动态特性。

信息熵是Shannon（1948年）引入的信息论的基石[24]，它用于量化数据不确定性，并已在包括机械工程[25]、计算科学[26]和化学[27]在内的多个学科中得到应用。随着现代科学的进步，它的应用范围不断扩大。例如，Zhou等人[28]在交叉效率评估中使用了熵，以替代自我评估框架；Wang等人[29]使用谱熵进行轴承故障诊断。熵权重方法是一种源自熵理论的客观加权技术，已应用于从预测荔枝保质期[30]到分析带有间隙的六杆机构非线性动力学等多个领域，Chen等人[31]就是使用接触力熵权重方法进行研究的。

复合材料在工程应用中得到了广泛使用。在航空航天领域，超声振动辅助铣削可以实现低损伤的C/C复合材料加工[32]，而集成CNT薄膜的聚酰亚胺复合材料则提供了除冰和电磁干扰（EMI）屏蔽功能[33]。在汽车系统方面，纤维角度过渡区增强了CFRP传动轴的动态稳定性[34]。在电子领域，碳纤维弹性体薄膜使得各向异性可拉伸设备成为可能[35]，多尺度气凝胶实现了可调电磁吸收[36]。在可持续性方面，3D打印亚麻复合材料在保持声学和机械性能方面取得了平衡[37]，而4D打印复合材料在老化后仍能保持形状记忆[38]。在生物医学领域，互穿相陶瓷/聚合物复合材料实现了强度和韧性的协同效应[39]。此外，绿色制造技术促进了基于PU的合成皮革的功能化[40]，而适用于LOX的CFRP则为航空航天燃料箱提供了关键解决方案[41]。

在本研究中，移栽机构中的传统金属齿轮被Al₂O₃/PA612复合材料取代，以抑制非线性动态响应。功率谱熵和熵权重方法被用来定量验证改进后的动态行为。

部分摘录

材料

PA612树脂（等级：Zytel 158L，密度：1.06 g/cm³）由杜邦中国集团有限公司提供。氧化铝（Al₂O₃）颗粒来自Antaria有限公司（澳大利亚）。氨基硅烷偶联剂（N-(2-氨基乙基)-3-氨基丙基三甲氧基硅烷）由浙江飞电化工有限公司（中国）提供，抗氧化剂1010/168则由济南艾民化工有限公司（山东，中国）供应。其他化学品，包括甲醇（分析级），也直接使用。

不同材料的信息熵

第2.3.2节证实，当数据集超过2000个点时，功率谱熵趋于稳定。本节将材料性能变化引入带有间隙关节的移栽机构模拟中，以量化不同材料对三轴接触力（X、Y、Z）的非线性影响。PA612复合材料（图1）通过用户定义的子程序进行建模，并调整了弹性模量，以便与传统金属材料进行直接比较，以确定最佳的非线性特性。

结论

• (1)
  将材料柔性纳入带有间隙关节的移栽机构动态模型中，可以提高其动态响应。用高性能复合材料替代传统金属部件可以有效抑制机构的非线性行为。
• (2)
  应用信息熵理论可以定量分析带有间隙关节的移栽机构的动态特性。这种方法提供了对……影响的客观评估。

CRediT作者贡献声明

钱梦博：监督、研究、资金获取。王欢：撰写－审查与编辑、撰写－初稿、研究、正式分析、数据整理。侯北斗：监督、数据整理。周迈勒：监督、研究。刘丽娜：监督。潘佳轩：撰写－审查与编辑、撰写－初稿、方法研究、研究。宋平安：监督、研究

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

数据可用性

数据可应要求提供。

资助

本项工作得到了浙江省自然科学基金（项目编号：LD24E050001）的财政支持。

利益冲突声明

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