木薯茎秆切割力学特性与仿真分析

发布时间：2020-10-15 08:05

　　 木薯、甘薯、马铃薯并称为世界三大薯类,在我国南亚热带亚热带地区,木薯是仅次于水稻、甘薯、甘蔗和玉米的第五大作物。木薯收获机械化是木薯生产全程机械化的一个重要环节,而木薯茎秆的切割是木薯机械化收获的首要任务,木薯茎秆切割器也是木薯茎秆收获机械的关键部件。研究木薯茎秆切割机理是开展各种木薯联合收获机械及木薯茎秆粉碎还田机械设计、动力学仿真、数学建模的基础,具有重要的理论和实际意义。本课题以木薯茎秆为研究对象,依托中国热带农业科学院农业机械研究所研制的多功能茎秆切割试验台,通过理论分析和试验相结合,应用有限元数值模拟软件对木薯茎秆切割过程进行动态模拟仿真,分析其切割过程中受力及功耗的变化情况,探讨影响切割耗能因素,揭示木薯茎秆切割机理,从而为木薯茎秆收获机的设计提供理论与技术支撑。主要研究结果包括以下内容:(1)以热区主栽品种华南205木薯茎秆为研究对象,对影响切割受力的茎秆组分和显微微观结构进行研究:获得了木薯茎秆化学组成成分;通过红外光谱、X衍射、热重-热差等不同角度探明木薯茎秆木质层的结构;通过分析木薯茎秆韧皮层、木质层、髓部的扫描电镜图像,明确其微观构造,从而为表征木薯茎秆物理机械特性及推导分析其材料属性提供依据。(2)以收获期木薯茎秆根部为研究对象,试验测定并分析茎秆的生物学参数和物理机械特性:测定了茎秆直径、韧皮层厚度、髓部直径、含水率以及堆积密度等参数;分析了沿茎秆方向的力学分布规律;通过试验获得了木薯茎秆不同部位在轴向拉伸、轴向压缩、径向压缩、轴向剪切、径向剪切、径向弯曲下的破坏应力和弹性模量。(3)分析了木薯茎秆切割过程中重割、不漏割以及碰撞的条件;依托切割试验台对收获期的木薯茎秆进行切割试验。通过试验分析了木薯茎秆在刀片刃角、切割角、刀盘倾角、刀盘转速、机器前进速度等因素不同水平下的最大切割力变化情况,经优化给出切割器参数的优化组合为刀片刃角27.95°,切割角20.52°,刀盘倾角2.60°,刀盘转速500.11rpm,机器前进速度0.59m/s时最大切割力最小。(4)运用理论分析和有限元相结合的方法,分析了木薯茎秆的压缩、弯曲破坏过程。结合木薯茎秆物理机械特性参数及试验过程,提出木薯茎秆所属材料的假设,并通过对其木质层试样的试验结果分析推导,判定出木薯茎秆为横观各向同性材料。推导确定出木薯茎秆的弹性力学特性参数。建立了木薯茎秆数字化模型并模拟了木薯茎秆在轴向压缩、横向压缩、径向弯曲作用下的受力变形,获得了木薯茎秆在失效极限状态下的位移、应力、应变、切应力云图。(5)结合试验台实际切割木薯茎杆的试验过程,进行了适当的假设,确定了数值模拟的条件,基于ANSYS/LS-DYNA建立了木薯茎杆切割系统有限元模型;在引入沙漏粘性阻尼与人工体积粘性的基础上实现对计算机仿真过程的有效控制,验证检验仿真结果的可靠性和稳定性。利用建立的切割系统有限元模型完成了圆盘式切割器切割木薯茎杆的模拟仿真,并对仿真结果进行分析,分别通过改变刀片刃角、刀盘倾角、刀盘转速、机器前进速度分析了最大应力、切割力及能量随之变化规律。
【学位单位】：华中农业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：S225.71
【部分图文】：

要耕作模式也将产生破坏性的冲击。（３）近年热区农业劳动力的持续快速减少，??我国木薯产业己从农户分散种植逐步向专业大户、合作社联营、加工企业自建基??地等形式转变，种植规模也向集中连片发展，具备实施机械化作业的地块条件。??但木薯收获机械化相关研究尚在襁褓之中，均处于研宄阶段，成型成熟技术缺乏，??不能为木薯产业化发展提供机械化作业技术支撑（黄洁等，２００６）。??１．２研究目的及意义??１．２．１木薯的生物学特性??木薯茎直立，木质，高２ｍ至５ｍ，单叶互生，披针形。单性花，顶生，雌雄??同序。木薯种植要求低，适应性强，耐旱耐贫瘠。年均气温１８°Ｃ以上，无霜期达??８个月以上的山地、平原均可种植；降雨量在６００？６０００?ｍｍ，热带－亚热带海拔??２０００?ｍ以下，土壤ｐＨ值介于３．８？８．０的地方都可以生长，最适于在年均温度２７°Ｃ??左右，日均温差６？７°Ｃ，年降雨量１０００？２０００?ｍｍ分布均匀，阳光充足，土层深??

华中农业大学２０１８届博士研宄生学位论文木薯的收获机械化技术是制约全程机械化的一个重要瓶颈。据有关报道木薯化作业生产率可达０．５３－０．６７ｈｍ２／ｈ，应用木薯收获机以机械作业替代繁重的劳动，成本比人工收获节约９００元／ｈｍ２，工作效率可提高２０倍以上（蒋志国等００８）〇???

将木薯茎杆样品分别横切、纵切成薄片，置于３％戊二醛固定液中，抽气使??其下沉，然后放置于４°Ｃ冰箱中固定２４时后取出，用相同的缓冲液洗涤３次，再用??３０％、５０％、７０％、８０％、９０％、９５％系列乙醇逐级脱水，每级２０?ｍｉｎ至?１００％，??然后用叔丁醇置换３次后冷冻干燥，将干燥好的材料用导电胶带粘在样品台上，??采用ＪＥＯＬ?ＪＦＣ－１６００离子溅射镀膜仪喷镀铂金，喷镀好的材料在ＪＥＯＬ?ＪＥＭ－６４９０??ＬＶ扫描电子显微镜下进行形态观察（王立新等，１９９０）。??２．３．２木薯茎轩宏观结构??木薯茎秆主要由芽眼、表皮，扨皮层、木质层和髓组成。见图２－１，表皮是??与外界环境接触的最外层细胞皮层，具有吸收和保护功能（王健等，２００６）。軔??皮层主要用于有机物和矿物质离子的运输，軔皮纤维层质地坚軔，抗挠曲能力较??强，为韧皮层中担负机械支持功能的成分（赵科学，２０１０）。木质层是木薯茎杆??中的主要营养运输组织，负责将根部吸收的水分及易溶解于水的离子向上运输，??供其它器官组织使用，另外还具有支持植物体的作用，木质层可以分为初生和后??生木质层两部分，靠近韧皮层的是后生木质层，靠近髓部的是初生木质层。髓是??木薯茎秆最中心的部分，髓质地疏松似海绵体。??
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本文编号：2841916