基于离散元法的马铃薯挖掘机理研究及仿生铲设计
发布时间：2022-02-15 16:12
随着我国马铃薯主粮化战略的推进,其种植规模越来越大,但收获机械化水平相对较低,并且存在牵引阻力大、伤薯率高等问题。马铃薯收获机的挖掘铲作为直接与土壤、块茎及根系作用的关键部件,其设计缺乏精确、合理的理论支撑,仍然处于经验-半经验设计状态。本文结合国家自然科学基金项目“土壤-马铃薯块茎-根系团聚体动态破裂特性及其与挖掘铲耦合作用机理研究（51505305）”和高等学校博士学科点专项科研基金“基于野猪拱嘴的马铃薯仿生挖掘机理研究（20132103120016）”开展研究,综合考虑了马铃薯块茎、根系周边土壤不同区域形态及力学特性的差异,建立了土壤-块茎-根系团聚体离散元模型,运用数值模拟分析方法,研究了马铃薯收获过程中土壤-块茎-根系团聚体的动态破裂特性及其与挖掘铲的耦合作用,探讨了马铃薯挖掘机理及减阻节能途径;在此基础理论指导下,设计了基于野猪拱嘴结构特征的仿生挖掘铲,并通过仿真及田间试验验证了其具有较好的减阻效果,为高性能马铃薯收获机及其他块根系收获机械的研制提供理论基础。主要研究内容如下:（1）土壤-马铃薯块茎-根系团聚体参数的测量。以早熟品种早大白为研究实例,实地测量了马铃薯植株结薯...
【文章来源】：沈阳农业大学辽宁省
【文章页数】：127 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
土壤在挖掘铲作用下的变形情况
第一章绪论8分析，研究了切削条件对切削阻力的影响（Abo-ElnorM，2004）。贾静霞采用ANSYS软件对平面铲和凹面铲的强度进行了静力学分析，通过挖掘铲的应力分布云图，分析得出性能较优的挖掘铲，从而为挖掘铲的设计提供了重要的理论依据（贾静霞，2006）。贾晶霞利用有限元法建立了挖掘铲与土壤相互作用几何模型，研究了马铃薯挖掘过程的土壤与挖掘铲的相互作用规律，给出了土壤在挖掘铲作用下的变形情况，如图1-1所示。从图中可以看出土壤运动变形的部位主要集中在铲尖上部，土壤在三个运动方向上都有一定的能耗，其中多余能耗集中在竖直方向上（贾晶霞，2011）。图1-1土壤在挖掘铲作用下的变形情况Fig.1-1Soildistortionundertheshareaction蒋志国应用ANSYS/LS-DYNA软件建立挖掘铲和土壤的数学模型，在设定土壤参数和部件参数的前提下进行木薯挖掘运动仿真分析，在后处理软件中将挖掘铲的速度、加速度和位移曲线输出，能够比较直观的观察挖掘铲在入土之后的运动情况，为进一步的理论研究和机构优化提供了可靠依据（蒋志国，2010）。杨望从微观的角度对木薯的挖掘机理做了进一步研究。他创建了挖掘铲-茎秆-块根-土壤系统的数学模型，如图1-2所示，将SPH（光滑粒子流体动力学）算法与拉格朗日算法结合起来，通过ANSYS/LS-DYNA软件进行模拟仿真，应用修正的摩尔-库仑屈服准则，分析挖掘铲下土壤的变形过程、块根的应力分布和相互的作用机理（杨望，2013）。图1-2木薯块根挖掘作业耦合计算模型Fig.1-2Couplingcalculationmodelofcassavarootexcavation上述研究表明，利用有限元分析法研究土壤力学问题已经非常广泛了，尤其适用于挖掘部件的静力学分析和土壤的变形等方面，并且已经取得了一定的研究成果。贾晶霞
沈阳农业大学博士论文11大中型拖拉机配套牵引马铃薯收获机。典型代表有德国GRIMME公司生产的Varitron270-DoppelMS型马铃薯联合收获机，如图1-5所示，这种收获机集机电液一体化为基础，主要进行联合收获作业。图1-4SE75-40型马铃薯收获机图1-5Varitron270-DoppelMS型马铃薯收获机Fig.1-4SE75-40potatoharvesterFig.1-5Varitron270-DoppelMStypepotatoharvester国外的马铃薯收获机以大型联合收获机为主，配套动力大，适合大面积收获使用，虽然功能强大，但是消耗的能源较高，不太适用于我国山地区域、种植田面积孝坡度大的中小型地块，因此不符合我国的实际国情。我国对马铃薯收获机械的研制起步较晚，发展也相对缓慢，目前国内机型以小型、配套动力小，结构简单、轻便为主，处于中小型悬挂收获机的研制推广阶段（康璟，2014）。马铃薯收获机械的研制大都根据经验设计，没有精确的理论和先进的研究手段为基础，因而在田间作业有时会存在适应性差、机前易壅土、土壤分离效果差、明薯率低、伤薯率高等问题（郭世鲁，2016）。针对以上的问题，再加上马铃薯种植规模和产量的连年增长，国内马铃薯机械收获作业的企业和高校加快了马铃薯挖掘机的研制，先后有东北农业大学吕金庆教授研制的4U2A型收获机、甘肃农业大学团队研制的4SW-60型收获机、青岛洪珠4U-83牵引型收获机和中机美诺等企业研制的1700型收获机投入使用（敬志臣，2018），如图1-6、1-7所示。图1-64U-83牵引马铃薯收获机图1-74SW-60马铃薯收获机Fig.1-64U-83typepotatoharvesterFig.1-74SW-60typepotatoharvester为了获得更好的收获效果，近几年国内的相关学者除了研究马铃薯收获机的整体结
【参考文献】：
期刊论文
[1]马铃薯收获机械化技术研究进展[J]. 杨红光,胡志超,王冰,彭宝良,王公仆. 中国农机化学报. 2019(11)
[2]基于离散元法的振动筛的筛分效率研究[J]. 刘义伦,苏家辉,赵先琼,陈辉,刘驰,刘思琪,伍天翔. 东北师大学报(自然科学版). 2018(04)
[3]马铃薯二阶凸面挖掘铲的设计与研究[J]. 郭新峰,冯静安,王卫兵,郭世鲁. 江苏农业科学. 2018(22)
[4]收获期马铃薯茎秧切割强度的试验研究[J]. 李晓军,孙伟,张涛,刘小龙,张华. 中国农业大学学报. 2018(11)
[5]马铃薯仿生挖掘铲片及其减阻特性研究[J]. 李晓鹏,廖敏,胡奔,潘群林,陶金京. 农机化研究. 2019(06)
[6]深松铲不同翼铲安装高度时土壤扰动行为仿真与试验[J]. 王学振,岳斌,高喜杰,郑智旗,朱瑞祥,黄玉祥. 农业机械学报. 2018(10)
[7]三七种苗物料特性研究及离散元法参数标定[J]. 赖庆辉,袁海阔,胡子武,曹秀龙,苏微. 扬州大学学报(农业与生命科学版). 2018(02)
[8]马铃薯仿生挖掘铲减阻性能研究[J]. 石林榕,赵武云,孙伟,孙步功,张华. 干旱地区农业研究. 2018(03)
[9]马铃薯产业发展面临的新形势[J]. 李云会. 农民致富之友. 2018(07)
[10]基于离散元的微型马铃薯仿真参数标定[J]. 刘文政,何进,李洪文,李学强,郑侃,魏忠彩. 农业机械学报. 2018(05)
博士论文
[1]六头螺旋秸秆还田耕整机关键部件设计与试验[D]. 张春岭.华中农业大学 2019
[2]深松旋耕作业次序可调式联合作业机研究[D]. 郑侃.中国农业大学 2018
[3]清选装置中小麦颗粒和短茎秆离散元建模研究[D]. 刘凡一.西北农林科技大学 2018
[4]基于离散元方法的深松铲参数优化及松土综合效应研究[D]. 刘俊安.中国农业大学 2018
[5]果园开沟施肥机开沟刀片理论与试验研究[D]. 康建明.中国农业机械化科学研究院 2017
[6]马铃薯秧茎切割收集关键部件设计与试验研究[D]. 初旭宏.中国农业大学 2017
[7]自激式振动深松机设计及试验研究[D]. 马星.沈阳农业大学 2016
[8]摆动分离筛薯土分离过程中马铃薯运动特性研究[D]. 蒙建国.内蒙古农业大学 2016
[9]基于离散元法的秸秆—土壤—旋耕刀相互作用机理研究[D]. 方会敏.南京农业大学 2016
[10]基于离散元法的深松铲减阻及耕作效果研究[D]. 李博.西北农林科技大学 2016
硕士论文
[1]马铃薯收获与地膜回收一体机的设计与试验[D]. 史文婷.山东农业大学 2018
[2]基于离散元方法的桥上碎石道床动力稳定性研究[D]. 刘淦中.西南交通大学 2018
[3]基于EDEM的宝塔菜收获机的设计及仿真分析[D]. 吴俊.宁夏大学 2018
[4]基于离散元法的振动压实过程仿真及其试验研究[D]. 王慧强.长安大学 2018
[5]马铃薯耦合仿生挖掘及其减阻研究[D]. 李晓鹏.西华大学 2018
[6]基于多球充填的玉米籽粒群体建模方法研究[D]. 王晓梅.吉林大学 2017
[7]基于离散元的马铃薯捡拾装置试验研究[D]. 王万虎.西北农林科技大学 2017
[8]基于DEM-FEM耦合的滑坡作用下管道力学响应分析[D]. 李杭杭.西南石油大学 2017
[9]垂直于切削方向的振动挖掘及其减阻研究[D]. 李金龙.西华大学 2017
[10]基于离散元法的免耕播种开沟器的设计与试验[D]. 曹秀振.东北农业大学 2016
本文编号：3626931
【文章来源】：沈阳农业大学辽宁省
【文章页数】：127 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
土壤在挖掘铲作用下的变形情况
第一章绪论8分析，研究了切削条件对切削阻力的影响（Abo-ElnorM，2004）。贾静霞采用ANSYS软件对平面铲和凹面铲的强度进行了静力学分析，通过挖掘铲的应力分布云图，分析得出性能较优的挖掘铲，从而为挖掘铲的设计提供了重要的理论依据（贾静霞，2006）。贾晶霞利用有限元法建立了挖掘铲与土壤相互作用几何模型，研究了马铃薯挖掘过程的土壤与挖掘铲的相互作用规律，给出了土壤在挖掘铲作用下的变形情况，如图1-1所示。从图中可以看出土壤运动变形的部位主要集中在铲尖上部，土壤在三个运动方向上都有一定的能耗，其中多余能耗集中在竖直方向上（贾晶霞，2011）。图1-1土壤在挖掘铲作用下的变形情况Fig.1-1Soildistortionundertheshareaction蒋志国应用ANSYS/LS-DYNA软件建立挖掘铲和土壤的数学模型，在设定土壤参数和部件参数的前提下进行木薯挖掘运动仿真分析，在后处理软件中将挖掘铲的速度、加速度和位移曲线输出，能够比较直观的观察挖掘铲在入土之后的运动情况，为进一步的理论研究和机构优化提供了可靠依据（蒋志国，2010）。杨望从微观的角度对木薯的挖掘机理做了进一步研究。他创建了挖掘铲-茎秆-块根-土壤系统的数学模型，如图1-2所示，将SPH（光滑粒子流体动力学）算法与拉格朗日算法结合起来，通过ANSYS/LS-DYNA软件进行模拟仿真，应用修正的摩尔-库仑屈服准则，分析挖掘铲下土壤的变形过程、块根的应力分布和相互的作用机理（杨望，2013）。图1-2木薯块根挖掘作业耦合计算模型Fig.1-2Couplingcalculationmodelofcassavarootexcavation上述研究表明，利用有限元分析法研究土壤力学问题已经非常广泛了，尤其适用于挖掘部件的静力学分析和土壤的变形等方面，并且已经取得了一定的研究成果。贾晶霞
沈阳农业大学博士论文11大中型拖拉机配套牵引马铃薯收获机。典型代表有德国GRIMME公司生产的Varitron270-DoppelMS型马铃薯联合收获机，如图1-5所示，这种收获机集机电液一体化为基础，主要进行联合收获作业。图1-4SE75-40型马铃薯收获机图1-5Varitron270-DoppelMS型马铃薯收获机Fig.1-4SE75-40potatoharvesterFig.1-5Varitron270-DoppelMStypepotatoharvester国外的马铃薯收获机以大型联合收获机为主，配套动力大，适合大面积收获使用，虽然功能强大，但是消耗的能源较高，不太适用于我国山地区域、种植田面积孝坡度大的中小型地块，因此不符合我国的实际国情。我国对马铃薯收获机械的研制起步较晚，发展也相对缓慢，目前国内机型以小型、配套动力小，结构简单、轻便为主，处于中小型悬挂收获机的研制推广阶段（康璟，2014）。马铃薯收获机械的研制大都根据经验设计，没有精确的理论和先进的研究手段为基础，因而在田间作业有时会存在适应性差、机前易壅土、土壤分离效果差、明薯率低、伤薯率高等问题（郭世鲁，2016）。针对以上的问题，再加上马铃薯种植规模和产量的连年增长，国内马铃薯机械收获作业的企业和高校加快了马铃薯挖掘机的研制，先后有东北农业大学吕金庆教授研制的4U2A型收获机、甘肃农业大学团队研制的4SW-60型收获机、青岛洪珠4U-83牵引型收获机和中机美诺等企业研制的1700型收获机投入使用（敬志臣，2018），如图1-6、1-7所示。图1-64U-83牵引马铃薯收获机图1-74SW-60马铃薯收获机Fig.1-64U-83typepotatoharvesterFig.1-74SW-60typepotatoharvester为了获得更好的收获效果，近几年国内的相关学者除了研究马铃薯收获机的整体结
【参考文献】：
期刊论文
[1]马铃薯收获机械化技术研究进展[J]. 杨红光,胡志超,王冰,彭宝良,王公仆. 中国农机化学报. 2019(11)
[2]基于离散元法的振动筛的筛分效率研究[J]. 刘义伦,苏家辉,赵先琼,陈辉,刘驰,刘思琪,伍天翔. 东北师大学报(自然科学版). 2018(04)
[3]马铃薯二阶凸面挖掘铲的设计与研究[J]. 郭新峰,冯静安,王卫兵,郭世鲁. 江苏农业科学. 2018(22)
[4]收获期马铃薯茎秧切割强度的试验研究[J]. 李晓军,孙伟,张涛,刘小龙,张华. 中国农业大学学报. 2018(11)
[5]马铃薯仿生挖掘铲片及其减阻特性研究[J]. 李晓鹏,廖敏,胡奔,潘群林,陶金京. 农机化研究. 2019(06)
[6]深松铲不同翼铲安装高度时土壤扰动行为仿真与试验[J]. 王学振,岳斌,高喜杰,郑智旗,朱瑞祥,黄玉祥. 农业机械学报. 2018(10)
[7]三七种苗物料特性研究及离散元法参数标定[J]. 赖庆辉,袁海阔,胡子武,曹秀龙,苏微. 扬州大学学报(农业与生命科学版). 2018(02)
[8]马铃薯仿生挖掘铲减阻性能研究[J]. 石林榕,赵武云,孙伟,孙步功,张华. 干旱地区农业研究. 2018(03)
[9]马铃薯产业发展面临的新形势[J]. 李云会. 农民致富之友. 2018(07)
[10]基于离散元的微型马铃薯仿真参数标定[J]. 刘文政,何进,李洪文,李学强,郑侃,魏忠彩. 农业机械学报. 2018(05)
博士论文
[1]六头螺旋秸秆还田耕整机关键部件设计与试验[D]. 张春岭.华中农业大学 2019
[2]深松旋耕作业次序可调式联合作业机研究[D]. 郑侃.中国农业大学 2018
[3]清选装置中小麦颗粒和短茎秆离散元建模研究[D]. 刘凡一.西北农林科技大学 2018
[4]基于离散元方法的深松铲参数优化及松土综合效应研究[D]. 刘俊安.中国农业大学 2018
[5]果园开沟施肥机开沟刀片理论与试验研究[D]. 康建明.中国农业机械化科学研究院 2017
[6]马铃薯秧茎切割收集关键部件设计与试验研究[D]. 初旭宏.中国农业大学 2017
[7]自激式振动深松机设计及试验研究[D]. 马星.沈阳农业大学 2016
[8]摆动分离筛薯土分离过程中马铃薯运动特性研究[D]. 蒙建国.内蒙古农业大学 2016
[9]基于离散元法的秸秆—土壤—旋耕刀相互作用机理研究[D]. 方会敏.南京农业大学 2016
[10]基于离散元法的深松铲减阻及耕作效果研究[D]. 李博.西北农林科技大学 2016
硕士论文
[1]马铃薯收获与地膜回收一体机的设计与试验[D]. 史文婷.山东农业大学 2018
[2]基于离散元方法的桥上碎石道床动力稳定性研究[D]. 刘淦中.西南交通大学 2018
[3]基于EDEM的宝塔菜收获机的设计及仿真分析[D]. 吴俊.宁夏大学 2018
[4]基于离散元法的振动压实过程仿真及其试验研究[D]. 王慧强.长安大学 2018
[5]马铃薯耦合仿生挖掘及其减阻研究[D]. 李晓鹏.西华大学 2018
[6]基于多球充填的玉米籽粒群体建模方法研究[D]. 王晓梅.吉林大学 2017
[7]基于离散元的马铃薯捡拾装置试验研究[D]. 王万虎.西北农林科技大学 2017
[8]基于DEM-FEM耦合的滑坡作用下管道力学响应分析[D]. 李杭杭.西南石油大学 2017
[9]垂直于切削方向的振动挖掘及其减阻研究[D]. 李金龙.西华大学 2017
[10]基于离散元法的免耕播种开沟器的设计与试验[D]. 曹秀振.东北农业大学 2016
本文编号：3626931
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