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马铃薯力学特性与挖掘铲减阻机理研究

作 者: 石林榕
导 师: 吴建民
学 校: 甘肃农业大学
专 业: 农业机械化工程
关键词: 马铃薯收获机 机械损伤 仿生减阻 振动减阻 LS-DYNA
分类号: S532
类 型: 硕士论文
年 份: 2013年
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内容摘要


目前,马铃薯是一种高产、经济效益高、营养全面、适应性强、可加工种类丰富、用途广泛的粮食作物,也是四大粮食作物的后补作物。马铃薯被称为新世纪最有发展前途的农作物。然而随需求量的增长、马铃薯生产作业落后的局面已制约了马铃薯产业健康稳定的发展,制约条件中首先急需解决的是马铃薯收获机械化机具的研发与推广。鉴于此,加快发展现代化的马铃薯收获机械已迫在眉睫。在21世纪科学技术迅猛发展浪潮的带动下马铃薯收获机械的设计正朝功率消耗小、损伤率低、进地次数少、联合作业等方向发展。然而,就目前的研究条件来说,要充分解决马铃薯收获机械高效率作业与马铃薯块茎和土壤充分分离之间的矛盾,及马铃薯收获时产生的机械损伤,及块茎、石头、土块与土壤的分离、分级之间的矛盾,在对未杀秧的马铃薯进行收获时缠茎等矛盾还有很长的路要走。基于此,本文研究有两个侧重点,为减少马铃薯收获机械对马铃薯损伤率,对马铃薯力学特性进行研究;为了降低现有马铃薯收获机械功耗过大的问题,设计和研究两种减阻挖掘铲。具体研究内容如下:(1)通过电子万能试验机对甘肃含水率56.8%的2个品种在5种不同加载速率下3个方向马铃薯进行压缩试验研究。通过压缩试验特性曲线的回归分析,获得物料的破裂力、变形量等压缩力学特性参数。分析加载速率、马铃薯品种等因素对马铃薯压缩力学参数的影响,分析马铃薯压缩力学参数间的相关性,为马铃薯收获机械低损失机具的研制提供理论参考。。(2)近年来,国内外学者对玉米、小麦、杏等的力学特性进行了大量的研究。但这些文献里的有限元模型都是理想化的球体或者椭圆体。理想化的模型对研究这些农业物料在收获、储存、运输过程中的损伤有一定的理论指导意义,但离真实模型还是有一定的差距。应用切片图像处理技术获取农业物资的多层外形轮廓,通过三维造型软件放样造型农业物料的实体模型,再对其进行有限元应力分析。该技术为农业物料在收获、存储、运输过程中对其施力大小与施力部位的研究提供较较真实的理论依据,并为农业物料收获部件的设计提供一定的参考。(3)本文对马铃薯应力松弛的研究建立在压缩力学特性试验研究的基础上,首先对所获取的压缩力学特性压缩力—变形量曲线进行回归曲线拟合,获取马铃薯弹性模量、粘性系数等参数,应用ADAMS虚拟样机软件结合流变学理论建立马铃薯压缩及应力松弛仿真模型。对模型进行仿真后,对比了压缩力-变形量曲线仿真数据和试验数据,并利用ADAMS/Post Processor模块对比分析仿真曲线与试验曲线的重合度,验证基于ADAMS的马铃薯压缩力学与应力松弛特性虚拟样机研究的可行性和指导性。(4)据蝼蛄前爪胫节爪趾第1趾的体视显微镜照片设计了马铃薯挖掘机挖掘铲铲片,为马铃薯挖掘机提供一种减阻效率较高的挖掘铲。应用AutoCAD软件获取爪趾外侧曲线和内侧曲线的轮廓点,并将点坐标值数据使用LIST命令导出,借助Excel软件多项式拟合法对爪趾的侧面轮廓线进行拟合,利用拟合方程在Solidworks软件中建立了仿生挖掘铲片,最后应用LS-DYNA软件仿真模拟仿生与普通挖掘铲片挖削土壤的过程,并测定两种铲片的土壤阻力。仿真结果表明,仿生铲片较普通铲片土壤阻力减小了61%。所设计的仿生挖掘铲片为马铃薯挖掘机挖掘铲减阻技术要求提供了一种解决思路,且结构新颖。(5)目前,马铃薯收获机具大多采用固定式挖掘铲,导致牵引阻力和牵引功耗过大,而中小型收获机作业时通常表现出牵引力和牵引功率不足的问题。为了对振动减阻机理进行深入研究,应用Adams和LS-DYNA相结合的方式对由甘肃农业大学工学院研制的小型振筛式马铃薯挖掘机的振动挖掘铲挖削土壤过程进行三维数值模拟,分析不同牵引速率、振型、振幅、频率等因素对挖掘机挖掘效率和牵引阻力的影响,据Box-Behnken试验设计原理,以挖掘铲牵引速率、振型、频率和振幅为自变量,牵引阻力为响应值,采用4因素3水平响应面分析方法,并利用Design-Expert软件建立数学模型,对各因素及其交互作用进行分析。建立了各因素与牵引阻力之间的数学模型,并对四个因素进行了优化。开展马铃薯收获机械的减阻降耗等相关研究,对提高马铃薯挖掘机的综合性能和马铃薯挖掘机技术的发展、减少作业成本、减轻农民的劳动强度、增加农民收入有着重要的现实意义。

全文目录


摘要  2-4
Summary  4-11
第一章 绪论  11-21
  1.1 研究背景  11-13
    1.1.1 中国马铃薯产业的发展现状  12-13
    1.1.2 甘肃省马铃薯产业的发展现状  13
  1.2 马铃薯损伤机理研究进展  13-16
    1.2.1 国外对马铃薯机械损伤的研究进展和趋势  13-14
    1.2.2 国内对马铃薯机械损伤的研究进展与趋势  14-16
  1.3 马铃薯收获机械的发展概况  16-18
    1.3.1 国外马铃薯收获机械的发展概况  16-17
    1.3.2 国内马铃薯收获机械发展概况  17-18
    1.3.3 甘肃省马铃薯收获机械发展概况  18
  1.4 研究的意义、内容和方法  18-20
    1.4.1 研究意义及发展趋势  18-19
    1.4.2 研究内容  19
    1.4.3 研究方法  19-20
  1.5 本章小结  20-21
第二章 马铃薯压缩力学特性试验研究  21-34
  2.1 马铃薯压缩特性研究  21-22
  2.2 试验前准备  22-25
    2.2.1 试验材料  22
    2.2.2 试验仪器  22-24
    2.2.3 试验内容  24-25
  2.3 试验因素与指标  25-26
    2.3.1 试验因素  25
    2.3.2 试验指标(破裂点的载荷、变形量)  25-26
  2.4 马铃薯压缩试验研究  26-33
    2.4.1 各因素对马铃薯破裂力与变形量差异性分析  26-29
    2.4.2 加载方向对马铃薯压缩曲线及其对破裂力和变形量的影响  29-31
    2.4.3 加载方向一定时不同时加载速率对马铃薯压缩破裂力的影响  31-32
    2.4.4 品种差异性对马铃薯变形量的影响分析  32-33
  2.5 本章小结  33-34
第三章 马铃薯压缩有限元分析研究  34-40
  3.1 马铃薯实体模型数据采集  34-35
  3.2 马铃薯实体模型的建立  35
  3.3 马铃薯有限元计算模型的建立  35-37
    3.3.1 网格划分  36
    3.3.2 载荷和约束的施加  36-37
  3.4 马铃薯的有限元分析  37-39
    3.4.1 X 向加载  37
    3.4.2 Y 向加载  37-38
    3.4.3 Z 向加载  38-39
  3.5 本章小结  39-40
第四章 马铃薯压缩及应力松弛特性建模与仿真研究  40-53
  4.1 ADAMS 软件介绍  40-42
    4.1.1 虚拟样机技术在压缩及流变学理论中的应用  40-41
    4.1.2 基于流变模型的 ADAMS 建模环境设置  41-42
  4.2 马铃薯压缩过程的 ADAMS 建模  42-47
    4.2.1 模型建立  42-43
    4.2.2 参数设置  43-46
    4.2.3 仿真结果分析  46-47
  4.3 基于 ADAMS 马铃薯应力松弛仿真模型建立  47-51
    4.3.1 理论分析  47-48
    4.3.2 模型建立及约束条件的添加  48-49
    4.3.3 参数设置  49-50
    4.3.4 仿真结果分析  50-51
  4.5 小结  51-53
第五章 马铃薯挖掘机仿生铲的设计与减阻仿真研究  53-68
  5.1 研究背景  53-55
    5.1.1 挖掘铲常见形式及优缺点  53-55
    5.1.2 仿生工程与农业工程结合  55
  5.2 蝼蛄爪趾第一趾仿生信息的获取  55-58
    5.2.1 蝼蛄触土前足各部分的构成  56
    5.2.2 蝼蛄爪趾侧面轮廓线拟合  56-58
  5.3 仿生铲片模型的建立  58-59
  5.4 仿生铲片挖削土壤仿真  59-65
    5.4.1 仿真方法  59
    5.4.2 SPH 及土壤参数确定  59-60
    5.4.3 仿生铲片和普通铲片切削仿真模型的建立  60-64
    5.4.4 试验结果分析  64-65
  5.5 机理分析  65-67
    5.5.1 仿生铲片构形对切削阻力的影响  65-66
    5.5.2 铲片挖削时的动力学分析  66-67
  5.6 结论  67-68
第六章 振动挖掘铲减阻数值模拟及参数优化  68-90
  6.1 前言  68-69
  6.2 小型振筛式马铃薯挖掘机挖掘铲振动特性研究  69-75
    6.2.1 整机介绍  69-71
    6.2.2 挖掘铲振动原理  71
    6.2.3 影响振动挖掘阻力参数确定  71-74
    6.2.4 马铃薯挖掘机 ADAMS 模型处理  74
    6.2.5 挖掘铲振动曲线获取  74-75
  6.3 振动挖掘铲挖削土壤仿真  75-77
    6.3.1 SPH 及土壤参数确定  75-76
    6.3.2 振动挖掘铲挖削仿真模型的建立  76-77
  6.4 无振动挖掘铲挖削仿真模拟  77-78
  6.5 有振动切削的减阻分析  78-80
  6.6 仿真试验方案与方法  80-81
  6.7 试验结果与分析  81-87
    6.7.1 试验设计方案及结果  81-82
    6.7.2 各因素对性能指标的影响分析  82-87
  6.8 最优作业参数确定及模型验证  87-88
  6.9 结论  88-90
致谢  90-91
参考文献  91-100
导师简介  100-101
作者简介  101-103

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中图分类: > 农业科学 > 农作物 > 薯类作物 > 马铃薯(土豆)
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