基于粘土的木薯塊根仿生拔起機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)理論研究.pdf

1、目前，關(guān)于木薯塊根收獲機(jī)械設(shè)計(jì)理論及方法的研究成果較少。木薯塊根收獲機(jī)械的研究，國(guó)內(nèi)還處于起步階段，國(guó)外，雖然研制出了適合當(dāng)?shù)厥褂玫哪臼韷K根收獲機(jī)械，但適合粘性土壤和中國(guó)木薯生長(zhǎng)狀況的未見(jiàn)有報(bào)道。木薯塊根機(jī)械收獲機(jī)理復(fù)雜，作業(yè)質(zhì)量影響因素多，因此，以中國(guó)有代表性的木薯品種和粘土作為主要研究對(duì)象，采用先進(jìn)的研究方法和技術(shù)，系統(tǒng)建立木薯塊根拔起模型和機(jī)械拔起速度控制模型，研究塊根的拔起機(jī)理及塊根的損失規(guī)律和機(jī)理，探索木薯塊根收獲機(jī)械的設(shè)計(jì)原

2、理和系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化方法，形成木薯塊根收獲機(jī)械設(shè)計(jì)理論，成為了具有挑戰(zhàn)性和重要性的前沿課題。
　　 本文結(jié)合國(guó)家自然基金項(xiàng)目“丘陵地區(qū)木薯塊根收獲機(jī)械基礎(chǔ)理論與設(shè)計(jì)方法”，針對(duì)基于粘土的木薯塊根仿生拔起機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論及難于模擬的土壤大變形和破裂現(xiàn)象，開(kāi)展木薯塊根拔起機(jī)理、土壤剪切機(jī)理及塊根拔起力的力學(xué)模型、數(shù)學(xué)模型和塊根拔起速度模型研究，為木薯塊根仿生拔起機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。本文主要的研究?jī)?nèi)容及結(jié)論如下：
　　 (1)參考木

3、材力學(xué)特性參數(shù)的測(cè)定方法，通過(guò)物理試驗(yàn)，測(cè)定了塊根、莖稈的徑向與軸向剪切、拉壓強(qiáng)度和彈性模量。
　　 (2)采用SPH和FEM的耦合算法及修正的莫爾-庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則，建立了木薯塊根拔起過(guò)程耦合計(jì)算模型，克服塊根拔起時(shí)產(chǎn)生的土壤大變形和破裂難于進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算問(wèn)題及有效減少了計(jì)算時(shí)間。同時(shí)，通過(guò)數(shù)值模擬，在細(xì)觀層次上探明了塊根的拔起過(guò)程、土壤破裂過(guò)程及塊根的應(yīng)力變化規(guī)律，表明在塊根拔起過(guò)程中，塊根對(duì)土壤的向上擠壓作用表現(xiàn)為逐漸加強(qiáng)和

4、由內(nèi)向外擴(kuò)展過(guò)程，當(dāng)這種擠壓作用達(dá)到一定值時(shí)，土壤產(chǎn)生環(huán)形剪切破裂；最大拔起力出現(xiàn)時(shí)，土壤開(kāi)始產(chǎn)生明顯的環(huán)形剪裂面，但塊根出現(xiàn)最大有效應(yīng)力值遲于出現(xiàn)最大拔起力的時(shí)刻，在土壤產(chǎn)生環(huán)形剪切破裂到土體分離階段，塊根拔起速度不宜過(guò)快，否則塊根應(yīng)力過(guò)大被拉斷，造成機(jī)械收獲損失。同時(shí)，木薯塊根可等價(jià)成一個(gè)圓盤(pán)與該圓盤(pán)外圍接一定長(zhǎng)度的塊根，建立便于分析的塊根拔起力力學(xué)模型。
　　 (3)采用SPH和FEM相結(jié)合的方法及修正的莫爾-庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則

5、，建立了土壤直剪試驗(yàn)數(shù)值計(jì)算模型，進(jìn)行了4種不同性質(zhì)土壤的直剪數(shù)值模擬試驗(yàn)和回歸分析，探明了土壤剪切破裂過(guò)程及剪切速度對(duì)土壤剪切強(qiáng)度的影響機(jī)理，表明土壤被擠壓產(chǎn)生變形，土壤粒子連結(jié)直接拉裂和土壤粒子間摩擦與擠壓引起的土粒拉裂是土壤直剪斷裂的主要原因；剪切速度ν增大，瞬間拉裂土粒數(shù)增多，剪切強(qiáng)度τ增大。剪切模量小時(shí)，τ和ν是三次方關(guān)系，剪切模量大時(shí)，τ和ν是對(duì)數(shù)關(guān)系。土壤的剪切模量大，較難變形，以土粒連結(jié)直接拉裂為主，瞬間拉裂粒子數(shù)多，τ

6、大；剪切模量小，比較容易變形，拉裂粒子數(shù)較少，τ小。
　　 (4)根據(jù)土壤動(dòng)力學(xué)和植物根系摩擦理論，建立了塊根拔起的力學(xué)模型及多因素耦合的塊根最大拔起力數(shù)學(xué)模型，且進(jìn)行了物理試驗(yàn)驗(yàn)證，表明該數(shù)學(xué)模型有較高的預(yù)測(cè)精度，同時(shí)，分析了各因素對(duì)塊根最大拔起力的影響規(guī)律。
　　 (5)根據(jù)仿生學(xué)原理，選擇有豐富塊根收獲經(jīng)驗(yàn)的薯農(nóng)，實(shí)地測(cè)定了其塊根拔起加速度的變化過(guò)程，采用統(tǒng)計(jì)分析和非線性擬合方法，通過(guò)研究人拔起塊根的速度變化規(guī)律，