苜蓿现蕾期茎秆离散元模型建立与参数标定

针对目前牧草收获、粉碎加工设备输送和切割等机构研究过程中离散元仿真缺乏准确模型的问题,以含水率高、物理力学特性较为复杂的苜蓿现蕾期茎秆为研究对象,借助EDEM仿真软件,分别基于Hertz-Mindlin(no slip)和Hertz-Mindlin with bonding接触模型对物理参数和粘结参数进行标定。以休止角和剪切试验为基础,通过Plackett-Burman试验、Steepest ascent试验和Box-Behnken试验确定了苜蓿茎秆的泊松比、剪切模量、碰撞恢复系数、静摩擦因数、滚动摩擦因数等物理参数和法向接触刚度、切向接触刚度、临界法向应力、临界切向应力、粘结半径等粘结参数。以确定的物理参数进行休止角仿真试验,结果表明,仿真休止角与物理试验休止角相对误差为0.52%;以确定的粘结参数进行剪切仿真试验,结果表明,仿真剪切破坏力与物理试验仿真破坏力相对误差为0.86%,说明所标定的参数能够真实反映苜蓿现蕾期茎秆的物理和力学特性。     

基于离散元的柔性作物茎秆振动响应仿真

建立考虑柔性作物茎秆振动响应特性的动力学模型,对探索谷草分离机理、分析谷物分离过程和联合收获机参数优化具有重要意义。本文提出考虑柔性作物茎秆振动响应特性的动力学仿真模型,研究了作物茎秆的动力学响应特性。首先,给出了作物柔性茎秆的动力学模型和动力仿真方法;以成熟期小麦第3节间为例,测量了茎秆的内外径、单位质量密度和弹性模量等参数;对茎秆的横向弯曲振动和纵向拉伸振动进行仿真,研究茎秆的动力学响应特性,并与理论计算结果进行比较。通过仿真获得长度108mm、外径3.7mm、内径1.9mm、弹性模量5.27GPa的小麦茎秆的横向振动频率和纵向振动频率分别为164.28、7633.59Hz,与理论计算结果的相对误差分别为0.28%和0.12%。最后,通过谷草分离仿真实验,验证了柔性作物茎秆模型的实用性。     

燕麦茎秆理化组分分析与动态力学特性研究

燕麦茎秆的机械力学特性是燕麦生长、收获、脱粒和清选工艺与装备设计的基础,也是作为一种高分子资源深加工改性的基础。考察了不同节间的燕麦茎秆理化组分和微观结构特点;试验分析了燕麦茎秆在静态加载条件下的剪切和压缩特性,结果表明含水率显著影响其剪切和压缩力学参数;利用动态力学分析仪,重点研究了不同含水率燕麦茎秆的动态机械力学特性,结果表明燕麦茎秆具有粘弹特性,含水率在15.14%时,应变最小,为0.0052。随着含水率的增加,茎秆弹性降低,粘性增加;试验获得的蠕变-恢复和应力松弛曲线分别引入Burgers模型和五元素广义Maxwell模型进行拟合,决定系数均达到0.99以上。其中,随着含水率的增加,弹性模量和平衡弹性模量呈下降趋势,应力松弛时间增大。燕麦茎秆的组分结构分析与力学特性变化规律研究,可以为燕麦收获、茎秆收集和加工机械的研制提供试验基础。     

确定松软地面剪切特性模型参数的新方法

分析了松软地面剪切特性曲线的特点,提出了确定松软地面剪切特性模型参数的新方法－转换加权最小二乘法,对最小二乘法进行了推广,采用该方法建立了确定常用松软地面剪切特性模型参数的公式。编制了松软地面剪切特性分析软件,并用于研究某典型沙地的剪切特性。     

农作物茎秆的力学特性研究进展

对农作物茎秆的力学模型、力学特性、茎秆微观结构与茎秆的力学特性关系进行了综合评述。目前对茎秆的力学性能的研究基本上还是参照工程材料的力学性能指标体系进行的,所建的力学模型还是将茎秆作为各向同性体,生物材料的复杂结构、粘弹性以及各向异性在目前的研究中没有得到很好的反映。提出了从材料科学的观点研究农作物茎秆的结构与功能特点,在建立茎秆材料模型的基础上,建立茎秆的力学模型与力学指标体系,进而建立茎秆材料的本构方程和破坏准则。     

基于语义分割与实例分割的玉米茎秆截面参数测量方法

茎秆微观结构与其力学性能密切相关,影响作物的抗倒伏性能。但作物茎秆微观表型参数难以通过人工方式获取,因此急需自动化的测量方法。本研究以玉米为材料,通过光学显微镜获得玉米茎秆横截面切片图像,基于深度学习架构融合ResNet和Unet构建语义分割Res-Unet网络模型,对截面表皮、周皮和髓区3个功能区域进行分割;针对维管束数量多、面积小、密度大的特点,以EfficientDet作为基础网络架构,根据维管束尺寸小的特性,减少双向特征图金字塔(BiFPN)的层数,达到提高推理速度、减少显存占用量的目的,同时添加掩膜分割分支,构造新的网络Eiff-BiFPN实现对维管束的分割。实验结果表明,功能区域分割的平均DICE达到88.17%;维管束分割的AP₅₀和AP_50:70分别达到88.78%和72.80%。根据分割结果,可以获得玉米茎秆截面尺寸、各功能区域尺寸和维管束数量、面积等微观结构参数。本文方法具有精确性、实时性和可用性,可用于玉米茎秆微观结构参数的自动化测定,为作物抗倒伏研究提供技术基础。     

高粗茎秆作物收割技术的研究进展

系统分析了几种典型高粗茎秆作物的田间生长特性、收获期茎秆的物理机械特性及其收割现状;阐述了国内外高粗茎秆作物收割技术的研究进展;比较分析了现有高粗茎秆作物收割机械的特点;展望了未来高粗茎秆作物收割技术的研究与发展趋势.由此对提高高粗茎秆作物收获机的通用性、开发出能够适用于主要高粗茎秆作物收获切割的技术和装置以及高粗茎秆作物收获切割技术研究做一个有益的尝试.     

胡麻茎秆离散元柔性模型建立与接触参数试验验证

针对胡麻联合收获过程中茎秆位姿变化与运动特性等关键环节离散元研究缺乏柔性模型和接触参数的问题,本文以胡麻根部茎秆、中部茎秆、颈部茎秆为研究对象,以其本征参数为研究基础,计算得胡麻茎秆各部建模参数,采用离散元法bonding模型构建胡麻茎秆柔性模型,并以胡麻茎秆各部本征参数、接触参数试验值为水平值,通过Plackett-Burman试验和Central-Composite试验确定胡麻茎秆之间、茎秆与收获装备之间的接触参数,通过胡麻茎秆剪切试验与堆积角试验验证模型可靠性。结果表明：胡麻植株离散元柔性模型参数中法向刚度Kn为1.13×109N/m3,切向刚度Ks为5.6×108N/m3,法向临界应力σ为6.67MPa,切向临界应力γ为8.5MPa,粘结半径Rj为0.25mm;胡麻茎秆-收获装备间恢复系数、静摩擦因数、滚动摩擦因数最优值分别为0.33、0.28、0.14,胡麻茎秆-胡麻茎秆间恢复系数、静摩擦因数、滚动摩擦因数最优值分别为0.3、0.508、0.033;剪切试验中胡麻茎秆根部、中部、颈部剪切最大载荷与仿真结果相对误差分别为1.67%、3.09%、5.44%,堆积角试验中胡麻茎秆平均堆积角与仿真结果相对误差为0.31%,误差较小。胡麻茎秆柔性模型与接触参数和实际情况较为相符,可表征胡麻茎秆物理特性,为胡麻茎秆离散元仿真提供参考。     

油菜裸苗物理机械特性试验研究

对油菜裸苗茎秆进行物理机械特性试验,包括不同生长期油菜裸苗茎秆截面直径的测定,不同生长期油菜裸苗茎秆的压缩、剪切、拉伸试验。试验研究了油菜裸苗茎秆直径随生长时间的变化规律以及油菜裸苗茎秆压缩、剪切、拉伸极限随生长时间的变化规律,建立了油菜裸苗茎秆截面直径与生长时间的数学模型。研究表明:湘杂1613的油菜裸苗茎秆直径的增长与生长时间呈线性关系;油菜裸苗茎秆的耐压、耐切、耐拉的能力随时间的增加而增加。该结论为设计移栽机械提供了初步的实验基础,同时为进一步研究油菜移栽机械取苗、护苗、栽插参数等关键部件结构和运动学、动力学参数提供了理论依据。     

北方烟草钵苗的物理及剪切力学特性研究

为进一步优化设计烟草钵苗移栽机的关键部件,通过对移栽期北方烟草钵苗的测定,利用数理统计方法分析移栽期烟草钵苗的物理特性,得出烟草钵苗主要物理特性指标值的变化区间及分布频率。通过剪切试验对移栽期烟草钵苗茎秆的不同部位剪切载荷、抗剪强度及剪切功耗进行测试分析,得出烟草钵苗茎秆剪切部位对剪切破坏载荷及剪切功耗均存在显著影响(α=0.05),在距烟草钵苗钵体表面5~10mm处剪切破坏载荷和剪切功耗最大,抗剪强度均值为(1.10±0.12)MPa,试验可为北方烟草钵苗移栽部件的设计提供科学依据。     

农作物茎秆切割理论与方法研究进展分析

茎秆是农作物的主要副产品,也是世界范围内丰富的生物质资源。茎秆切割是刚性体与柔性体的直接互作过程,是茎秆处理的重要工序。茎秆切割与农作物高效低损伤收获及茎秆资源化利用密切相关,开展割刀与茎秆切割互作过程的研究是农艺农机深度融合的重要方面,对于农业生产与生态发展具有现实意义。为此,本文围绕茎秆切割的相关问题进行了国内外研究进展的综合评述与分析,具体为：围绕茎秆力学参数与本构模型,阐述了茎秆生物学特征与力学参数的关系、测试方法与设备、茎秆本构模型的建立及应用;结合割刀结构参数与型式、耐磨性能、自磨锐性能,介绍了割刀的结构型式与材料特性;针对割刀与茎秆的切割互作过程,系统介绍了切割原理,以及高效率、低功耗、低损伤等切割技术研究目标;从试验研究的具体参数及目标值到仿真研究的不同类型,梳理了两种研究方法在茎秆切割中的应用概况。在此基础上,结合现有问题,着重探讨了茎秆切割领域未来的发展方向,为农业生产中茎秆切割问题的深入研究提供了参考。     

小麦茎秆机械强度的力学评价研究

农作物茎秆强度的研究对于农机研发、抗倒伏研究均具有重要意义,目前大多截取秸秆的一部分进行室内力学研究,这种方法破坏性强且难以表征作物在田间的实际生物力学特性。为此,以自然生长状态的小麦为研究对象,运用弹性梁弯曲理论,分析小麦茎秆在横向受迫条件下产生的回弹力T,并给出回弹力的具体表达式,发现回弹力T与反映小麦茎秆强度特性的弹性模量E、截面惯性矩I有关。同时,设计了单株小麦回弹力实验测量系统,在小麦收获期使用该测量系统进行实验验证,比较测量值与理论计算值之间的差异,结果表明测量曲线与理论曲线基本吻合,通过分析同一小麦茎秆不同作用点处回弹力的差异,可反映出不同茎节处的机械强度。研究表明:将回弹力作为小麦茎秆机械强度的综合评价指标是可行的,可为农作物茎秆力学特性检测仪器设计以及收获机械的设计提供理论依据。     

农作物茎秆切割理论与方法研究进展分析

茎秆是农作物的主要副产品，也是世界范围内丰富的生物质资源。茎秆切割是刚性体与柔性体的直接互作过程，是茎秆处理的重要工序。茎秆切割与农作物高效低损伤收获及茎秆资源化利用密切相关，开展割刀与茎秆切割互作过程的研究是农艺农机深度融合的重要方面，对于农业生产与生态发展具有现实意义。为此，本文围绕茎秆切割的相关问题进行了国内外研究进展的综合评述与分析，具体为：围绕茎秆力学参数与本构模型，阐述了茎秆生物学特征与力学参数的关系、测试方法与设备、茎秆本构模型的建立及应用；结合割刀结构参数与型式、耐磨性能、自磨锐性能，介绍了割刀的结构型式与材料特性；针对割刀与茎秆的切割互作过程，系统介绍了切割原理，以及高效率、低功耗、低损伤等切割技术研究目标；从试验研究的具体参数及目标值到仿真研究的不同类型，梳理了两种研究方法在茎秆切割中的应用概况。在此基础上，结合现有问题，着重探讨了茎秆切割领域未来的发展方向，为农业生产中茎秆切割问题的深入研究提供了参考。     

基于改进Unet的小麦茎秆截面参数检测

针对小麦茎秆截面显微图像分割过程的复杂性,融合ResNet50和Unet网络构建维管束和背景区域的语义分割模型Res-Unet,搭建对小麦茎秆截面、髓腔、厚壁和背景的语义分割模型Mobile-Unet,可实现对小麦茎秆截面尺寸、髓腔尺寸和维管束面积等微观结构参数的检测。针对小麦样本数据集,通过深度学习中迁移学习的共享参数方式,将训练好的ResNet50网络权重应用到茎秆截面切片图像的网络模型上。结果表明,与同类方法相比,相关参数在精度上均有较大提升,全部参数的识别率超过97%,最高可达99.91%,平均每幅图像检测只需21.6s,与已有图像处理方法（110s）相比,处理速度提升了80.36%。模型评估的准确率、召回率、F1值和平均交并比均达到90%。本文方法可用于小麦茎秆微观结构的高通量观察和参数测定,为作物抗倒伏研究奠定了技术基础。     

成熟期大蒜茎秆力学特性的试验研究

针对大蒜联合收获机设计时缺乏必要的数据支持等问题,对成熟期大蒜茎秆力学特性进行了试验研究。采用农业田间数理统计方法对大蒜的几何特征进行分析,得出了大蒜主要几何特性指标值的变化区间和分布频率;利用万能试验机及拉伸试验对成熟期大蒜茎秆抗拉强度、挤压强度、起拔力等力学特性进行测试,研究了茎秆直茎、含水率、加载速度对大蒜茎秆拉断力的影响;应用Design-Expert软件分析,得出了松土位置参数优化组合。结果表明:直径对大蒜茎秆的拉断力影响最大,其次是含水率,最后是加载速度;大蒜最小起拔力的最优组合为挖掘深度9~18cm和挖掘距离2~10cm,所需起拔力小于53.1N,不会发生漏收现象;大蒜茎秆的挤压强度平均值是0.78MPa,所以在设计皮带夹持过程中挤压强度最大不能超过0.72MPa,为研制大蒜联合收获机关键装备提供了基础理论依据。     

葵花茎秆力学特性试验研究

针对葵花茎秆的力学特性进行研究,为葵花茎秆加工机械研发提供试验数据和理论依据。通过电子万能试验机对葵花茎秆的弯曲、剪切、拉伸等力学特性进行试验,在含水率保持在9.3%～13.9%的范围内,研究葵花茎秆在不同加载速度、不同取样位置下的弯曲力、剪切力及拉力的变化规律,以及各因素对弯曲力、剪切力及拉伸应力应力的影响。结果表明:①取样位置不变,弯曲力峰值随着加载速度的增加而增加;加载速度不变,取样位置越接近根部弯曲力峰值越大。②取样位置不变,剪切力峰值随着加载速度的增加而减小:加载速度不变,取样位置越接近根部剪切力峰值越大。③取样位置不变,拉伸应力峰值随着加载速度的增加而减小:加载速度不变,取样位置越接近根部拉伸应力峰值越大。     

小麦茎秆力学性能与微观结构研

测定了小麦成熟期茎秆的力学性能,研究了茎秆的应力-应变规律.试验观察了茎秆的微观组织结构,得到了茎秆扫描电镜下的解剖构造图像.分析了小麦茎秆承载能力与微观组织结构的相互关系,建立了茎秆横截面的力学模型.结果表明:小麦茎秆是一种典型的多相、筛状、不连续、不均匀和各向异性的复合材料,茎秆具有较高的强度和良好的弹性,其承载能力取决于机械组织的厚度、维管束的数量以及各组织及其细胞之间的连接形式和连接强度,小麦茎秆的抗拉强度为30.36～52.65 MPa,弹性模量为1.14～2.05 GPa.     

基于ANSYS的油菜分段收获适收期茎秆剪切力学特性分析

针对油菜分段收获适收期茎秆因含水率高、抗剪强度大,造成割晒作业过程中切割困难的问题,开展油菜茎秆剪切力学特性研究。采用电子万能试验机配合YYD-1型茎秆强度测定仪对油菜分段收获适收期茎秆剪切力学特性进行试验测定,并运用ANSYS有限元仿真软件对油菜茎秆剪切力学特性进行分析对比。试验结果表明,直径为12-18mm的油菜茎秆最大剪切力范围为234.77-368.31N,剪切模量范围为0.095-0.136GPa;最大剪切力与剪切模量试验测试值和模型仿真值的相对误差范围小于10%,说明采用有限元仿真方法研究油菜茎秆剪切力学特性具有可行性。研究结果为油菜分段收获适收期茎秆有限元仿真分析提供了参数参考。     

油菜茎秆切割试验研究

为了探究油菜茎秆切割时的力学特性参数,研究了茎秆剪切力与茎秆直径与剪切速度的关系,并采用INSTRON电子万能材料试验机对油菜茎秆剪切力学性能进行了试验研究,测定了成熟收获期青杂5号和青杂7号两个品种油菜茎秆在不同高度、不同直径和不同加载速度下剪切力大小。结果表明:青杂5号和青杂7号油菜茎秆在相同加载速度下的剪切力有显著差异;同一品种、不同高度油菜茎秆在相同切割速度下所受剪切力无显著差异;油菜茎秆的直径大小与剪切力大小呈正相关,剪切力随茎秆直径的增大而增大;油菜茎秆所受剪切力整体上随着割刀加载速度的增加而减小。试验结果可为油菜收获提供理论依据和指导。     

三七茎秆离散元参数标定与试验

针对利用离散元法进行三七联合收获、茎秆杀秧等关键作业过程仿真分析时，三七茎秆本征参数、三七茎秆及作业装备间接触参数缺乏问题，以三七茎秆为对象，利用EDEM软件建立三七茎秆离散元Hertz-Mindlin/Hertz-Mindlin with bonding模型，通过堆积角试验和虚拟仿真试验对三七茎秆离散元参数进行标定，并建立三七茎秆杀秧装置模型。通过力学特性试验确定三七茎秆本征参数；采用圆筒提升法进行三七茎秆堆积角试验，使用Origin软件对堆积角图像进行轮廓拟合得到三七茎秆堆积角为44.53°;设计Placktt-Burman试验、最陡爬坡试验和Central-Composite试验确定三七茎秆及作业装备间接触参数，并利用堆积角试验和剪切试验验证模型的可靠性。结果表明：三七茎秆与作业装备间碰撞恢复系数、静摩擦因数、滚动摩擦因数分别为0.319、0.25、0.029;三七茎秆间的碰撞恢复系数、静摩擦因数、滚动摩擦因数最优值分别为0.4、0.29、0.032;Hertz-Mindlin with bonding模型法向刚度K_n为3.26×10⁸...