基于亚塑性本构模型的土壤-触土部件SPH互作模型

触土部件是农机的主要组成部分,高精度的土壤-触土部件互作模型对农业耕作触土部件的节能优化设计具有重大意义。为提高土壤切削过程数值模拟的精确度,该研究基于光滑粒子流体动力学（Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH）框架,从土壤亚塑性本构模型出发,结合土壤-触土部件接触模型,提出一种土壤-触土部件互作模型。通过砂土坍塌试验和土壤切削试验,对比分析了模拟仿真和物理试验中砂土自由表面演变、内部应力变化、土壤静止和运动分界面形态以及粒子位移。在此基础上对4种不同形状刀具的土壤切削过程进行模拟,以土壤切应力、位移分布表征刀具在切削过程中对土壤的破坏情况,讨论了大半径抛物线型刀具切削过程中的土壤粒子速度场,并得出不同形状刀具切削阻力的变化规律。结果表明,刀具水平切削阻力的模拟值和试验值平均相对误差为9.885%,说明所提模型对刀具水平切削阻力的预测精度较高。研究结果可为土壤-触土部件互作模型的建立提供新的思路,为触土部件的优化设计提供参考。     

毛桃苗力学特性试验研究

为给苗木嫁接机器人切削系统的研制提供设计依据和有关设计参数，自制苗木压伤试验装置和苗木切削试验装置，选取南方常用、材质较硬的砧木毛桃苗作为试验对象，对毛桃树苗进行抗压伤和切削力学特性试验。试验结果得出毛桃树苗抗压伤极限载荷、毛桃苗切削最大阻力和刀片的最小极限切削线速度；以及影响毛桃苗切削的因素关系，苗木直径、转速、滑切角依次影响切削阻力大小，苗木直径与切削阻力呈平方关系；转速与切削阻力呈线性关系；滑切角与切削阻力也呈线性关系。综合试验得出：毛桃苗抗压伤极限载荷为20.35 N；切削最大阻力为7.34 N，最小极限切削线速度为0.312 m/s；苗木直径较大地影响切削阻力，转速较大地影响切断率。     

基于ALE有限元仿真的土壤切削振动减阻

针对浙江省茶园土壤压实问题造成小型茶园作业机功率不足问题,提出了茶园振动深松的土壤作业方法。以浙江龙井茶园压实土壤为分析对象,针对土壤深耕铲-土壤切削过程的动力学数值仿真,建立了土壤静态切削力学模型,并进行了土壤大变形切削的屈服失效分析。采用ALE算法模拟了土壤静态切削中深耕铲的切削阻力变化情况,建立了深耕铲-土壤的三维有限元模型并分析了振动切削的振动类型、频率、振幅以及深耕铲的前进速度对土壤切削阻力降低的关系,得出了振动频率和振幅对切削力的影响规律。进一步研究了不同的振动切削条件下,振动类型和刀具的切削速度对切削阻力的影响,通过合理选取一定的深松铲外加振动激励的振幅和频率能够得到最小的切削阻力,实例分析证明,振动频率取为25?Hz,振幅为14?mm时,振动切削的插入阻力能达到最小,切削阻力能降低约22%。上述研究结果为土壤振动切削减阻的外加振源参数优化提供了设计依据。     

苗木嫁接机器人切削机构模拟试验

为研究满足苗木嫁接机要求的切削机构,设计了半旋转切削机构并优化其结构参数.选取桃、李、柑橘、葡萄和板栗五种嫁接幼苗作为试验对象,在模拟切削试验装置上进行了切削模拟试验.试验结果检验该半旋转切削机构的可行性及分析得出了影响切削阻力试验指标和切削成功率试验指标的主、次试验因素.研究表明影响苗木切削的因素:苗木平均直径、转速、滑切角分别与切削阻力和切削成功率的相关性.综合得出,该半旋转切削机构是可行的;苗木直径、转速和滑切角分别较大地影响切削阻力和切削成功率,苗木直径是主要影响因素,实行工厂化育苗来有效保证苗木直径大小和均匀性;转速调节范围50～60 r/min,滑切角调整略人于30°.     

基于离散元的西北旱区农田土壤颗粒接触模型和参数标定

为了解决利用离散元法模拟土壤作业过程在预测农具阻力和土壤动态运动时存在失真等问题,整合延迟弹性模型(hysteretic spring contact model,HSCM)和线性内聚力模型(liner cohesion model,LCM)优势建立西北旱区农田土壤模型,以不同参数(静摩擦系数、动摩擦系数和内聚强度)组合下仿真得到的土壤仿真堆积角为响应值,基于Box-Behnken试验法建立回归模型,并根据该回归模型进行了参数预测并验证,对17组土壤仿真堆积角方差分析表明:静摩擦系数、动摩擦系数、动摩擦系数和抗剪强度的交互项、动摩擦系数的二次项对仿真堆积角的影响极显著;静摩擦系数和动摩擦系数的交互项、静摩擦系数的二次项对仿真堆积角的影响显著。使用预测的参数进行6种不同含水率土壤直接剪切仿真和试验对比可知,当含水率为1%~20%时,仿真与试验间的抗剪强度相对误差为1.18%~9.31%,仿真与试验间的内摩擦角相对误差为0.55%~4.07%。对仿真和试验鸭嘴插入阻力数据进行分析可知,仿真与试验曲线在入土距离处于0~50 mm期间时,但仿真入土阻力曲线波动较大,仿真和试验阻力走势基本一致,玉米直插穴播最深处50 mm处的仿真和试验入土阻力相对误差为0.928%,可利用此时的入土阻力分析直插鸭嘴结构对强度的影响。     

蝼蛄前足爪趾三维几何构形的减阻机理

触土部件的阻力直接影响耕作机械和工程机械的作业效率,该研究利用工程仿生设计方法,基于蝼蛄前足爪趾优异的地下掘进能力,提取前足爪趾的三维几何构形特征用于仿生试件设计,通过土槽切削阻力试验和有限元模拟,分析蝼蛄前足爪趾几何构形的减阻性能和机理。研究结果表明,前足爪趾的构形特征对切削阻力有显著影响（P<0.05）,仿生试件的切削阻力较楔状体试件最高可降低56.96%,三维仿生构形的减阻性能优于一维和二维构形。蝼蛄前足爪趾构形能使被切削土壤沿挖掘面顺畅移动,避免了土壤在仿生试件尖部的堆积和对中后部的挤压,实现切削阻力的减小。该基于蝼蛄前足爪趾的工程仿生研究可为耕作和工程机械触土部件的减阻设计提供理论基础。     

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。     

仿生注液沃土装置工作参数的优化与试验

为探索仿生注液沃土装置在土壤内部作业时工作参数对工作阻力和土壤粘附量的影响规律,优化作业参数,以保障并提高注液沃土装置作业质量,同时降低工作阻力和土壤粘附。该研究采用Box-Behnken试验优化设计方法,通过搭建农机土槽台车试验系统以模拟田间作业环境,开展注液沃土装置样机工作参数优化试验,将入土深度、注液量、土槽台车速度3个工作参数设为自变量,将工作阻力和土壤粘附量设为响应值,建立多元二次多项式回归方程,根据自变量与响应值之间的关系,优化仿生注液沃土装置的工作参数。结果表明:以土壤粘附量和工作阻力为响应值建立的回归方程模型拟合度良好;入土深度、液肥流量和工作速度对降低工作阻力和减小土壤粘附量的影响均显著,且入土深度和速度存在交互效应;试验因素对注液沃土装置降低工作阻力和减小土壤粘附量的影响程度为:入土深度>速度>流量,得到最优的工作参数为:入土深度11 cm、速度1.0 m/s、流量350 g/s。在最优工作参数条件下,注液沃土装置的工作阻力为260.01 N,土壤粘附量为8.73 g。该研究工作为注液沃土技术的应用和推广提供了参考依据。     

基于ANSYS/LS-DYNA的螺旋刀辊土壤切削有限元模拟

为揭示秸秆还田耕整机的螺旋刀辊与土壤之间的关系特性,根据螺旋刀辊切削土壤的工作特点,利用ANSYS/LS-DYNA971软件对螺旋刀辊土壤切削过程进行模拟,得出了螺旋刀辊切削土壤的功率消耗、切削阻力的大小以及土壤等效应力的变化规律.模拟结果表明,螺旋刀辊转速为300 r/min,机组行进速度为1.1 m/s 时,单组螺旋刀辊切削土壤的最大功耗为6.4 kW,最大切削阻力为2820.7 N,且土壤最大等效应力发生在横刀刚入土时的内侧面,所得功耗值与经验推导值相符.研究结果为双轴型水田高茬秸秆还田耕整机的系统参数优化设计提供参考.     

葡萄藤防寒土与清土部件相互作用的离散元仿真参数标定

为系统地研究中国北方地区沙壤土质地的葡萄藤防寒土及其与清土机清土部件常用材料(Q235钢、橡胶)相互作用的离散元仿真参数,以构建准确的土壤离散元仿真模型,该文选用整合延迟弹性模型(hysteretic spring contact model,HSCM)和线性粘附模型(liner cohesion model,LCM)作为土壤颗粒间的接触模型;基于土壤堆积试验,以土壤颗粒间恢复系数、静摩擦系数、滚动摩擦系数和土壤粘附能量密度为因素,以土壤堆积角为指标,利用EDEM进行通用旋转中心组合模拟试验,采用Design-Expert软件对试验数据进行回归分析,以实测的土壤堆积角作为优化目标值,获得土壤颗粒间的最佳接触参数组合;利用土壤屈服试验获得HSCM模型参数;基于斜面滑动法原理,利用倾斜板试验台测得土壤与Q235钢和橡胶之间的静摩擦系数,并以此为基础,采用土壤滑落试验,以滑动摩擦角为响应值,对土壤颗粒与Q235钢和橡胶之间的恢复系数和滚动摩擦系数进行寻优,得到最优解参数组合。为验证标定优化的离散元模型参数的准确性,采用刮土板土槽试验和仿真试验进行对比分析,获得刮土板在土槽试验和仿真试验中的水平前进阻力分别为228.36 N和213.79 N,两者之间的相对误差为6.38%,表明仿真模型中土壤的物理力学特性与实际土壤基本一致,验证了葡萄藤防寒土离散元仿真参数标定结果和研究方法准确可靠。研究结果可为基于离散元法研制适用于北方地区沙壤土质地的葡萄藤防寒土清土机提供理论基础和技术支撑。     

滑剪组合式甘蔗根切装置的设计与试验

针对甘蔗切割过程中存在的宿根破头率高的问题，该研究通过分析甘蔗茎秆与刀具之间的相互作用关系，设计了一种基于“滑切+剪切”相组合的甘蔗根切装置，旨在提高根切作业质量。首先，通过分析传统圆盘式根切器的无支撑切割与滑剪组合式根切器的有支撑切割的作用原理，表明有支撑切割可以有效降低茎秆的弯曲阻力和惯性力，因此一定程度上阻止了茎秆产生较大的变形，有效保证了茎秆的切割质量，而滑切可有效降低切割阻力。并通过建立茎秆的根切受力模型，对根切器关键零部件的参数进行确定，采用等滑切角式刀片曲线进行滑切作业，滑切角和刀片刃口角分别为40°和45°。基于 ANSYS/ Workbench对根切器进行了静力学分析及模态分析，得到刀具的屈服强度为450～650 MPa，大于刀具所受最大应力102 MPa，最大变形量为4.94×10^-5 m，满足使用性能要求。切割电机和喂入电机对应的激振频率分别为 0~6.667 Hz 和 0~11.667 Hz，模态分析结果表明两电机的激振频率远小于根切器的一阶固有频率（60.89 Hz），因此不会引起共振现象，能够保障室内试验的顺利进行。搭建了可调刀盘转速、喂入速度及切割倾角的根切试验台，台架单因素试验结果表明当切割倾角、刀盘转速和喂入速度分别在10°～15°、140～220 r/min、1.1～1.7 m/s时，综合评价值较小，切割质量较优。正交试验方差分析结果表明各因素对综合评价值y均有显著影响；正交试验极差分析表明当切割倾角为15°，刀盘转速180r/min，喂入速度为1.4m/s时为最佳试验水平。经试验验证，此时综合评价值为0.256和0.298，切割质量较优。参考DG/T 117-2021 甘蔗收获机械试验方法对甘蔗破头率进行检验，剪切合格率高达90.4%，破头率降低至10%以下，滑剪组合式甘蔗根切器作业质量满足行业要求。本研究可为新型甘蔗根切器的设计与研制提供理论参考。     

不同类型土壤－柠条根系复合抗剪力学特性的比较

为揭示柠条根系固土抗蚀机理,以柠条锦鸡儿与低液限粘土、砒砂岩风化土、含细粒土砂3种土壤类型的根土复合体做为对象进行室内直剪试验,研究3种土壤类型的柠条根土复合体抗剪强度及强度指标,分析其差异性。结果表明:3种不同土壤类型下柠条根土复合体剪切规律均服从摩尔－库仑强度破坏准则。0.05显著水平下,12.5 kpa下根系提高土体抗剪强度优于25 kpa。抗剪强度、残余抗剪强度及二者的强度指标均为柠条根与3种土壤类型根土复合体优于相应素土。抗剪强度、残余抗剪强度、粘聚力及残余粘聚力大小排序为:低液限粘土根土复合体 > 砒砂岩风化土根土复合体 > 含细粒土砂根土复合体,内摩擦角和残余内摩擦角大小排序为:含细粒土砂根土复合体 > 砒砂岩风化土根土复合体 > 低液限粘土根土复合体。粘聚力、残余粘聚力的增长率区间为9.97% ~ 45.78%,内摩擦角和残余内摩擦角的增长率区间为?4.09% ~ 2.40%。根会增强土壤抗剪强度及残余抗剪强度。柠条根系对提高低液限粘土的抗剪特性作用效果最明显,提升效果最好。粘聚力在根土复合体抗剪强度、残余抗剪强度的增加中起主要作用。     

土方作业动态切削的可视实时仿真

针对液压挖掘机驾驶模拟器土方作业仿真中缺乏时变负载——土壤切削阻力,基于Delta3D视景仿真引擎和多体动力学实时交互软件Vortex搭建了系统软件框架,实现了挖掘机车辆动力学特性的真实模拟,并建立了铲斗与土壤的交互仿真平台。根据挖掘机铲斗的实际作业情况,将土壤假定为刚塑性体,并引入地形倾角、加速力、土壤对铲斗侧面摩擦力等参数,推导并修正了Reece提出的土壤切削基本方程,实现了土方作业中土壤动态切削的可视实时仿真。将模型导入到某驾驶模拟器中,进行3次交互作业,获得了土壤相对于铲斗的切削阻力,并对影响切削阻力的因素进行了分析。仿真平台逼真度高、交互性强,实现了铲斗与土壤交互作业具有物理学行为的拟实模拟,可为操作培训人员和产品开发人员提供可视化和交互性的手段,提高培训效果和产品开发效率。     

玉米根茬铲切刀具的滑切刃曲线优化设计

为获得具有优良切割性能的刀具刃口曲线,采用理论建模和铲切试验相结合的方法,研究了玉米根茬铲切的过程.通过建立玉米根茬切割过程的动力学模型及能耗模型,揭示了最优滑切角与物料摩擦角之间的函数关系;根据玉米根体的结构特征将其划分为5区段,并由各区段物料的摩擦系数获取相应理论最优滑切角;根据切割刃与根茬切割位置的对应关系,设计出具有多级滑切角的刃口形式,并与具有固定滑切角的刃口实施了对比铲切试验.试验表明:多级滑切刃刀具的铲切性能最佳,铲切功耗为14.2 J.     

天牛仿生大麻收割机切割刀片设计与试验

针对现有大麻收割机切割刀片存在切割阻力大、功耗高、割茬质量差的问题。运用仿生学原理,通过提取天牛上颚切割齿部位齿廓曲线,以天牛切割齿廓代替普通稻麦收割机刀片的三角形尖齿,设计了仿生切割刀片。利用双动刀切割装置测试平台,对收割期大麻茎秆进行了仿生刀片和普遍刀片单茎秆切割性能对比试验。试验表明,2种刀片的切割力-位移曲线都可分为挤压、切割和切割完毕3个阶段,其中仿生刀片具有切入能力强、切割茬口较平齐、切割质量好的优势。通过对2组切割试验数据进行均值统计和方差分析可知,仿生刀片和普通刀片单茎秆最大切割力和切割功耗平均值分别为442.6、478.1 N和2.16、2.35 J,仿生刀片和普通刀片相比,平均最大切割力和切割功耗分别降低7.4%和8.0%,表明仿生刀片较普通刀片具有更优的减阻降耗性能;方差分析表明刀片类型对单茎秆最大切割力影响极显著(P0.01),对单茎秆切割功耗影响显著(P0.05)。     

入土切割对甘蔗切割过程影响的仿真试验

采用ANSYS/LS-DYNA显式动力学仿真软件及反求技术,建立甘蔗-切割器系统仿真模型,进行甘蔗材料参数反求,获得了适用于动力学仿真的甘蔗材料模型,且进行了物理试验验证;通过建立土壤-甘蔗-切割器系统的动力学仿真模型,进行动力学仿真试验,建立相关数学模型,研究了土壤的软、硬程度及切割状态对甘蔗最大切割力及切割破头的影响,结果表明,土壤的软硬程度对甘蔗的最大切割力影响小,对甘蔗轴向剪应力影响大;甘蔗两刀切断比一刀切断的最大切割力小,甘蔗入土切割比非入土切割的最大切割力大,但轴向剪应力小,甘蔗入土一刀切断的平均轴向剪应力比非入土一刀切断的小43.3%,甘蔗入土两刀切断的轴向剪应力比非入土两刀切断的小49%,入土切割是降低甘蔗切割破头的有效途径。     

基于视觉伺服的蝴蝶兰种苗切割系统设计与试验

蝴蝶兰种苗自动化切割可降低组培苗染病几率,提高种苗品质。为实现蝴蝶兰种苗自动化切割,该研究针对种苗结构特性提出基于拟合直线的切点定位方法,并配合切割方法设计了弹性切割末端,搭建了基于视觉伺服的蝴蝶兰种苗切割系统。首先,采用深度学习模型对采集到的图像进行目标检测;然后,根据检测结果使用基于几何规则的切割点定位算法计算切点;最后,将切割坐标传输给切割执行机构完成切割作业。目标检测试验中,ShuffleNet v2-YOLOv5模型检测精度达96.7%,权重文件大小1.3 MB,平均检测时间0.026 s。种苗切割试验中,切割合格率高于86%,单株平均切割时间小于18 s。该系统能有效完成蝴蝶兰种苗切割任务,为蝴蝶兰组培苗自动化生产提供新思路。