工业大麻茎秆力学模型的试验分析

为了促进工业大麻产业的快速发展,为大麻收获机械的研究与设计提供物料的机械性能参数指标,作为收获机具的研究依据,该文通过综合利用复合材料力学的基础知识对工业大麻茎秆的机械物理模型进行假定,再利用 WDW-10万能试验机对工业大麻茎秆各组成部分分别进行轴向拉伸、轴向和径向压缩、径向弯曲等力学性能的试验,从而获得工业大麻茎秆的力学性能数据,再通过复合材料理论的基础知识进行综合分析与计算,获得工业大麻茎秆力学模型的性能参数,最后通过比较分析得出假定的数学模型基本可靠。通过试验得到的木质部轴向弹性模量为1343.5 MPa,韧皮层径向弹性模量为3607.5 MPa,茎秆的轴向弹性模量为1743.50 MPa,茎秆的径向压缩弹性模量为88 MPa,木质部异性面弯剪模量为33.52 MPa,茎秆异性面弯剪模量为31.99 MPa,木质部、韧皮层、茎秆的同性面泊松比为0.3。通过试验数据可以看出,大麻茎秆的各组成部分具有优异的机械性能,其中韧皮纤维的机械性能尤其突出。试验结果表明,工业大麻茎秆径向结构符合复合材料的特性。通过测量工业大麻的力学性能参数,可为优化工业大麻收获机具的强度与刚度提供参考,使机具在收获过程中的功耗最少、割茬质量最高。     

工业大麻茎秆力学模型的试验分析（英文）

为了促进工业大麻产业的快速发展,为大麻收获机械的研究与设计提供物料的机械性能参数指标,作为收获机具的研究依据,该文通过综合利用复合材料力学的基础知识对工业大麻茎秆的机械物理模型进行假定,再利用WDW-10万能试验机对工业大麻茎秆各组成部分分别进行轴向拉伸、轴向和径向压缩、径向弯曲等力学性能的试验,从而获得工业大麻茎秆的力学性能数据,再通过复合材料理论的基础知识进行综合分析与计算,获得工业大麻茎秆力学模型的性能参数,最后通过比较分析得出假定的数学模型基本可靠。通过试验得到的木质部轴向弹性模量为1 343.5 MPa,韧皮层径向弹性模量为3 607.5 MPa,茎秆的轴向弹性模量为1 743.50 MPa,茎秆的径向压缩弹性模量为88 MPa,木质部异性面弯剪模量为33.52 MPa,茎秆异性面弯剪模量为31.99 MPa,木质部、韧皮层、茎秆的同性面泊松比为0.3。通过试验数据可以看出,大麻茎秆的各组成部分具有优异的机械性能,其中韧皮纤维的机械性能尤其突出。试验结果表明,工业大麻茎秆径向结构符合复合材料的特性。通过测量工业大麻的力学性能参数,可为优化工业大麻收获机具的强度与刚度提供参考,使机具在收获过程中的功耗最少、割茬质量最高。     

苎麻茎秆冲击断裂韧性试验与分析

为了揭示不同含水率的茎秆在冲击载荷下,韧皮部和木质部的分离断裂能分布规律,以收获期二麻为试验对象,参照GB/T 1843-2008试验标准,采用TF-2056B悬臂梁冲击试验机对不同部位和不同含水率条件下的苎麻茎秆进行了冲击断裂能量试验。试验数据表明:苎麻茎秆下端部冲击断裂韧性最大,苎麻整秆最大冲击断裂能平均值为0.5067 J;含水率为84.04%时,苎麻茎秆冲击分离效果最好,连接木质部与韧皮部的"形成层"冲击断裂分离能由下端部至梢部依次为0.3072、0.2165、0.1662 J。该研究为苎麻茎秆收割、储存、剥离时间段选择及低能耗高效率分离机构设计提供理论依据。     

木薯力学特性测试

木薯力学特性参数的研究,对木薯收获机械的设计、动力学仿真、数学模型建立具有重要意义。采用物理试验方法,利用中国科学院长春科新试验仪器研究所生产的WDW3100微机控制电子万能实验机,测定了华南205木薯块根、茎秆物理力学特性参数,且对数据进行了数理统计分析,结果表明,木薯块根可视为一各向同性材料,其平均轴向拉伸强度、轴向压缩强度、径向压缩强度、轴向剪切强度、径向剪切强度、抗弯强度、轴向弹性模量、径向弹性模量分别为：0.34、0.74、0.76、0.22、0.37、2.66、7.23、7.22 MPa;木薯茎秆为一各向异性材料,其平均轴向拉伸强度、轴向压缩强度、径向压缩强度、轴向剪切强度、径向剪切强度、抗弯强度、轴向弹性模量、径向弹性模量分别为：10.23、6.26、1.43、1.86、2.53、10.80、5.24、35.36 MPa。     

面向夹持采收的油菜薹夹段茎秆离散元参数标定与优化

为提高离散元法对指导油菜薹有序采收装备设计与优化的准确性和可靠性,该研究以双行垄作移栽的“农大1号”双低甘蓝型油菜机械化适收期油菜薹夹段茎秆为对象,测定其本征参数、表面接触参数以及破碎力学参数,利用EDEM仿真软件Hertz-Mindlin无滑移模型和Hertz-Mindlin with bonding粘结模型建立夹段茎秆堆积仿真标定模型和破碎仿真标定模型。采用逐步调整仿真参数使仿真试验值与物理试验值逼近的方法,利用夹段茎秆堆积仿真标定模型,以休止角仿真试验值与实际物理试验值的相对误差为目标,完成夹段茎秆表面接触参数的标定与优化;利用破碎仿真标定模型,以轴向压缩和弯曲仿真试验与实际物理试验的最大轴向压缩力和最大弯曲力的相对误差为目标,利用标定后的表面接触参数完成夹段茎秆粘结参数的标定与优化。最后,利用夹段茎秆的径向压缩与剪切、内芯与表皮拉伸的破碎仿真力学试验和有序采收EDEM-Recurdyn耦合仿真试验验证标定后的表面接触参数和粘结参数。结果表明,仿真与实测试验的破碎力学参数相对误差在5% 以内,且仿真与实测的“时间-载荷”曲线变化趋势一致,低速、中速和高速档的有序采收仿真试验结果与实际物理试验结果相对误差在7.0% 以内。研究结果表明,采用离散元仿真方法研究油菜薹采收过程具有可行性,标定结果可用于指导油菜薹机械化生产。     

甘蔗茎秆在扭转、压缩、拉伸荷载下的破坏试验

甘蔗茎秆物理力学特性是建立甘蔗茎秆材料模型和茎秆在各种荷载下本构关系的基础。该文以“桂林—1号”甘蔗的茎秆为试验材料,采用自制的夹具,在扭转试验机上进行扭转试验,在材料力学万能试验机上进行拉伸、压缩试验。试验结果表明：在扭转荷载下,甘蔗茎秆的破坏形式为产生轴向裂纹;在压缩荷载下的破坏形式为屈曲,并产生轴向裂纹;在拉伸荷载作用下,蔗皮、蔗芯的破坏形式为断裂。对试验用 “桂林－1号”甘蔗茎秆的基部,切变模量的平均值为10.82 MPa,最大剪切应力的平均值为0.45 MPa;基部第一、二、三节的抗压强度平均值分别为14.47 MPa、9.93 MPa和8.24 MPa。基部蔗皮轴向、径向拉伸强度平均值分别为47.02 MPa和2.57 MPa,蔗芯轴向、径向拉伸强度平均值分别为6.71 MPa和1.34 MPa。     

苎麻茎秆台架切割试验与分析

为了给苎麻收割机的研制提供切割理论基础,该文进行了苎麻茎秆切割参数的试验研究。该文利用自行设计的试验台架进行苎麻茎秆的切割试验,研究往复式单动刀及双动刀切割器不同刀片几何参数(刀片长度、刀刃类型)、不同切割线速度和不同茎秆喂入速度对切割性能(切割功耗、切割质量和综合评分值)的影响。根据各个因素特点,论文采用多因素正交试验的方法确立两水平因素(刀刃类型、刀片长度和动刀组数)的最优水平组合,然后固定两水平因素的最优水平组合,以切割线速度和茎秆喂入速度为试验因素进行二次回归正交旋转设计试验来获得因素的最佳参数。根据多因素正交试验结果,采用往复式双动刀切割器,选用锯齿刃长刀片(120 mm)为最优水平组合。根据二次回归正交旋转设计试验结果,当切割线速度为0.878 9 m/s、茎秆喂入速度为0.862 4 m/s时,单位长度割幅切割功率最小,为281.408 4 W;当切割线速度为1.161 4 m/s、茎秆喂入速度为0.711 7 m/s时,单位面积切割失败株数最少,为5.691 1株;当切割线速度为1.092 0 m/s、茎秆喂入速度为0.722 9 m/s时,评分值最高,为86.7180分。综合试验结果,苎麻切割试验理论最佳水平组合为:切割线速度1.092 0 m/s、茎秆喂入速度0.722 9 m/s,采用往复式双动刀切割器,选用锯齿刃长刀片(120 mm),此时单位长度割幅切割功率为318.814 5 W,单位面积切割失败株数为6.006 4株。研究结果为后续苎麻收割机切割部件的研制以及切割行走速比的选择提供了基础理论数据。     

自动反拉式换位夹持苎麻剥麻机设计与参数优化

针对目前普遍使用且依靠人力喂入及反拉的苎麻剥麻机劳动强度大、安全性差、剥麻质量不稳定等问题,该研究以“川苎11号”苎麻为研究对象,设计了一种自动反拉式换位夹持苎麻剥麻机。首先对苎麻茎秆物理尺寸和力学性能参数进行测量,确定采用双夹持机构与同步带夹持输送、电机驱动夹持机构翻转换位、双滚筒反向剥麻的技术方案。进而对剥麻装置、夹持机构等主要部件进行结构设计和理论分析,确定苎麻剥麻机结构和剥麻滚筒转速、反拉速度、喂入角度等工作参数。然后分析苎麻茎秆剥打过程并建立仿真模型,运用ANSYS/LS-DYNA模块对剥麻过程进行单因素仿真试验,分析了木质部去除量、韧皮部损失量等,仿真结果表明,剥麻滚筒转速、反拉速度、喂入角度分别在350～650 r/min、0.2～0.4 m/s、5°～15°范围内时的剥麻效果较好。根据Box-Behnken试验设计方法,开展三因素三水平正交试验,通过方差分析和响应面分析,得出反拉式换位夹持苎麻剥麻机的最优工作参数为:剥麻滚筒转速451.047 r/min,反拉速度0.319 m/s,喂入角度10.728°;样机试验表明最优工作参数下的平均鲜茎出麻率为5.03%,平均原麻...     

基于纤维形态特征分析的玉米秸秆皮拉伸特性

为研究玉米秸秆皮纤维形态特征对其力学特性影响的基本规律,该文对不同取样高度的玉米秸秆皮的拉伸特性及其纤维形态特征进行了试验研究。通过硝酸法获得不同取样高度的玉米秸秆皮纤维及其形态特征参数,同时测试相应取样高度的径向抗拉强度和轴向抗拉强度,并以径向抗拉强度和轴向抗拉强度为考核指标,利用灰色关联法分析纤维长宽比、壁腔比等纤维形态特征参数与玉米秸秆皮拉伸特性的相关性。结果表明,不同取样高度的玉米秸秆皮的纤维形态特征参数及其拉伸特性的差异显著(p0.01),玉米秸秆皮轴向抗拉强度显著高于径向抗拉强度(p0.01);玉米秸秆皮拉伸特性与其纤维形态特征参数存在相关关系,径向抗拉强度与纤维壁腔比相关(r=0.9972),轴向抗拉强度与纤维长宽比(r=0.8885)和纤维壁腔比(r=0.6648)均相关。研究结果为玉米秸秆皮加工装备设计及其材料化利用提供了参考。     

均质土壤承压下陷模型改进及验证

针对传统土壤承压模型依赖拟合原位承载试验曲线的复杂性或建立在土壤力学参数基础上的预测模型的理想化等问题,该文提出一种改进的土壤承压下陷模型。依据地面力学和土壤力学相关理论将土壤承压力学模型分3类进行简要介绍,分析其各自特点和参数意义。结合土壤承压极限理论的指数形式,提出改进的土壤承压模型。利用庄继德等人的相关试验研究结果进行验证,结果表明砂性土、水稻土的土壤承压下陷计算预测曲线与实际拟合曲线吻合度较好,其中砂土试验的Bekker下陷曲线与改进模型计算所得曲线的决定系数R2为0.9998;利用Bekker文献中的黏性土试验参数数据进行验证,计算所得土壤极限应力值与相应位置贝氏方程拟合应力值误差在5%~21%之间,土壤变形指数求解值与实际值误差在7%~36%之间。该模型普适性、准确性较强,可在测得土体基本力学参数的基础上预测载荷下陷曲线,为研究车辆行驶下陷提供参考。     

棉秆挤压剥皮剪切力学特性试验

针对棉秆重组材原料疏解剥皮的需要,该文利用自制的棉秆剥皮试验台,以测试剥皮剪切强度为目标,对含水率、取样部位、加载强度3个影响因素进行了中心组合试验,对皮附着长度进行了单因素试验,并将泡水软化棉秆和新鲜棉秆进行了比较.结果表明:取样部位、加载强度对轴向与切向剥皮剪切强度影响显著(P＜0.01);含水率对轴向和切向剥皮剪切强度的影响不显著(P＞0.05),三因素间的交互作用均不显著(P＞0.05);加载强度、取样部位、含水率对棉秆剥皮剪切强度的影响依次由强到弱;切向剥皮方式优于轴向剥皮方式;新鲜棉秆的剥皮剪切强度较小,收获后及时剥皮效果好.该研究可为棉秆疏解剥皮装备的设计提供参考.     

苎麻机械剥制试验与工艺参数优化

苎麻剥制工艺参数是剥麻机设计与力学分析的基础。为提高剥麻机剥制质量和效率,论文针对剥麻机切削机构运动和力学特点,在自行设计的苎麻剥制机上进行了试验,对麻皮基本工艺参数、麻皮机械物理特性、切削机构动力参数对剥制质量和生产效率的影响关系进行了试验测定和优化分析。试验结果表明：随着正压力增大,纤维含杂率和含胶率降低,麻纤维质量得到提高,但损失率增加。麻皮切削速度加大有利于提高工效,但纤维质量有所下降,损失率增加。对剥制质量和工效的综合影响分析显示,切削机构刀具正压力和相对速度的最佳取值分别为220 N和 0.6 m/s,而滑动摩擦系数,麻壳剪切强度,麻壳及纤维的厚度压缩比等工艺参数可为剥麻机切削机构的设计提供重要依据。     

连续夹持输送式苎麻剥麻机研制

针对苎麻剥麻劳动强度大、作业工效低等问题,该研究基于横向喂入式剥麻技术的作业特点,结合苎麻剥麻的工艺要求,设计了一种连续夹持输送式苎麻剥麻机。通过对剥麻装置、夹持输送装置和换端夹持装置等关键部件的结构设计和理论分析,确定影响剥麻质量的关键因素及作业参数范围。以剥麻间隙、滚筒转速和输送速度作为影响因素,建立苎麻剥麻的鲜茎出麻率和原麻含杂率的数学模型,结合Box-Behnken试验方案进行多目标优化试验,寻求装置作业参数对苎麻剥麻的影响规律及最优参数组合。试验结果表明:滚筒转速、剥麻间隙和输送速度对鲜茎出麻率和原麻含杂率均具有极显著影响。通过多目标参数优化分析,确定最优作业参数组合:剥麻间隙4.0 mm、滚筒转速330 r/min和输送速度0.36 m/s。基于优化参数进行苎麻剥麻的生产验证试验,结果显示:鲜茎出麻率5.04%、原麻含杂率1.18%,各指标与模型预测值的相对误差均小于5%,验证了预测模型的准确性;整机生产效率142 kg/h,达到设计指标要求;苎麻纤维的含胶率22.85%,束纤维断裂强度4.56 CN/dtex,达到《苎麻》国家标准二等苎麻纤维等别。     

HYDRUS模型与遥感集合卡尔曼滤波同化提高土壤水分监测精度

精确地估测干旱区土壤水分含量,对该区域的农业发展与水土保持具有重要意义。该文以MODIS与Landsat TM数据为数据源,利用其反演获得的条件温度植被指数(temperature-vegetation drought Index,TVDI)作为观测算子,将集合卡尔曼滤波(ensemble Kalman filter,En-KF)同化方法应用于水文模型(HYDRUS-1D),进行干旱区表层土壤水分的模拟。结果表明:遥感数据反演土壤水分所构建的二维特征空间TVDI与表层土壤水分有较好的一致性;En-KF同化方法对模型变量与观测算子的更新,与单纯使用HYDRUS模型相比,获得的表层土壤水分含量精度有了明显提高,其均方根误差缩小了1个百分点,平均误差缩小了5个百分点。可见,基于多源遥感数据对表层土壤水分的En-KF同化模拟在干旱区具有较大的潜力,是提高干旱区土壤水分含水量监测精度的有效手段。     

宽皮柑橘移动夹持剥皮力学特性与果皮分离特性试验研究

为了解决目前柑橘剥皮设备,果皮一次剥净率较低,且损伤率较高。需要人工二次剥皮等问题,探索宽皮柑橘剥皮方法,该文以温州蜜柑为研究对象,利用自制的试验平台开展柑橘剥皮试验,对比了不同加载条件(不同剥皮方向、剥皮宽度及剥皮速度)对温州蜜柑的果皮分离过程中拉力值以及果皮分离位移的影响规律。试验结果表明:1)柑橘的剥皮特性具有各向异性,剥皮方向对剥皮特性具有显著性影响(P0.05),沿柑橘轴向方向剥皮,剥离的果皮长度与径向相比长约15%,且剥皮过程果皮能够均匀剥离;2)柑橘果皮分离过程中大致存在3种果皮断裂形态,其中剥离的果皮形态呈对称状,剥皮过程较为平稳;而剥离的果皮形态呈偏移或是果皮边缘带锯齿状,剥皮过程均存在波动过程,果皮呈斜向撕裂,剥离的果皮长度小于正向撕裂的对称状果皮长度;3)剥皮宽度、剥皮速度对柑橘果皮分离的最大拉力值有显著影响(P0.05),对果皮分离位移影响不显著(P0.05),其对剥皮长度影响较小,根据试验指标及自身剥皮设备参数,夹持较宽(采用环割划皮)的果皮,较高的剥皮速度(300 mm/min以上),利于提高剥皮效率。该研究可为宽皮柑橘的机械剥皮加工设备提供一定的理论依据。     

收割期芦竹底部茎秆机械物理特性参数的试验研究

试验研究芦竹底部茎秆的机械物理特性，以获得其最大破坏应力、弹性模量等机械物理特性参数，并分析芦竹切割过程中应力、应变分布状态，能为芦竹切割刀具和切割方式的设计提供理论依据和基础技术参数，对低能耗、高效率的芦竹切割器的设计具有重要的指导意义。该文利用微机控制电子万能材料试验机对收割期的芦竹底部的茎秆进行了顺纹拉伸、压缩、弯曲试验，获得试验条件下顺纹拉伸、压缩、弯曲的应力－应变曲线，并进行了分析。试验测得芦竹底部茎秆顺纹拉伸最大抗拉强度平均值为123 MPa，弹性模量值为1260 MPa；顺纹压缩最大抗压强度平均值为52 MPa，弹性模量值为595 MPa；顺纹弯曲最大抗弯强度平均值为125 MPa，弹性模量值为1715 MPa。结果表明，芦竹破坏应力参数接近毛竹，远大于玉米、小麦等茎秆的破坏应力参数，芦竹的机械化收割不宜采用传统的切割器。