基于准静态压缩的果实黏弹塑性模型

目前对果实黏弹塑性特征与模型进行表征比较困难。基于果实等速压缩变形特征,提出了一表征其黏弹塑性的流变模型。该模型包括3个非线性弹簧元件、一个黏性元件以及一个滑块元件。结合压缩应力—应变试验曲线特征与模型特性提出了模型参数的数值确定方法。采用梨果实全果肉、带核果肉两种试样进行试验,获得了其黏弹塑性模型参数。结果表明试验与理论模型结果非常吻合,果核对其黏弹塑性有较大影响。采用本模型结合试验结果能较准确简便地确定类似特性果实的流变特征参数。研究结果为果品黏弹塑性流变特性分析以及模型表征提供了一种新的方法。     

番茄果实蠕变特性表征的Burger's修正模型

针对经典Burger’s模型在蠕变特性表达中的不足,进行了绿熟期、变色期、红熟前期和红熟中期番茄果实的蠕变试验,并在Burger’s模型和常用指数型与幂函数型修正模型分析的基础上构造提出了4元件6参数修正模型.该模型对不同成熟期蠕变段试验数据拟合的平均决定系数与和方差分别达0.9975~0.9994和0.04047~0.07633,蠕变变形率和弹性度的拟合平均相对误差分别为2.54%~3.04%和2.89%~7.12%,蠕变量预测的平均相对误差为0.29%~0.46%,蠕变速率也与实际更加吻合,其曲线拟合精度、关键指标表达精度和蠕变预测精度大大优于Burger’s模型和常用修正模型.研究表明该模型实现了蠕变行为的更准确表征与预测,从而为果实收获、储运、分选的减损提供了更好的模型依据.     

生物质颗粒燃料成型的黏弹性本构模型

为研究生物质颗粒成型燃料压缩成型机理,该文用玉米秸秆、花生壳、小麦秸秆、大豆秸秆、棉花秸秆、木屑等6种生物质原料,采用生物质颗粒燃料成型机进行压缩成型,研究生物质颗粒燃料压缩成型过程,采用黏弹性理论,建立生物质颗粒成型燃料的本构模型,从力学角度提出生物质颗粒成型燃料的压缩成型机理,并研究对比不同种类生物质原料压缩的最大应力与能耗.结果表明,6种生物质原料中棉杆和木屑的最大应力较高,其余4种原料略低;木屑的压缩能耗最高,其次为棉秆、花生壳和豆秸,小麦秸秆和玉米秸秆较小.该研究结论为解决生物质颗粒成型燃料成型加工能耗高,关键部件受力磨损导致寿命低等问题提供一定参考.     

基于本构模型的颗粒饲料成型特性研究

为研究饲料原料挤压成型特性,构建了非线性黏弹塑性颗粒饲料成型本构模型,针对主要饲料原料小麦,通过分析成型试验因素对其本构模型系数及其表征的流变学特性的影响,研究物料特性、加工参数等对小麦原料成型特性的影响规律,并分析了模型系数与颗粒成型质量的相关性关系。黏弹塑性本构模型由牛顿黏滞体(Newton viscous dashpot element)、应变硬化弹簧元件(strain hardening spring element)和库伦摩擦元件(Coulomb friction element)构成,基于小麦原料的实际成型试验完成模型构建;模型验证结果显示:数值结果中各应力区间模型决定系数R2在0.99以上,模型值与试验值较为吻合,相对误差总平均值为3.378%,并通过χ2检验进一步证明模型有效性;应用本构模型对小麦原料成型特性的分析结果显示,表征其流变学特性的模型系数表现出明显的应力函数规律,黏性系数绝对值随着挤压过程的进行逐渐减小,弹性模量值逐渐增大,集成塑性系数值则表现为先增后降,而各成型试验因素对模型系数产生了显著规律性影响,与宏观试验现象比较吻合;通过Pearson相关性分析可知颗粒成型密度、颗粒成型率、颗粒成型硬度等成型质量指标分别与黏性系数、塑性模量与弹性模量间达到了最高的相关系数,数值皆在0.80以上且为极显著相关性水平(P0.001),为基于本构模型对颗粒成型质量进行分析和控制提供依据。研究结果为颗粒饲料挤压成型特性研究提供了一种新方法和新角度,也为颗粒饲料的高效低耗生产和产品质量的改善提供基础数据和理论参考。     

车辆行驶的表层沙土非线性弹性本构模型的试验研究

以车辆行驶的表层沙土为研究对象，用土壤动态三轴仪对车辆行驶的表层沙土的力学特性进行了试验研究，建立了适于车辆行驶的表层沙土的非线性弹性邓肯（Ｄｕｎｃａｎ）本构模型。研究结果表明它能够较好地反映车辆行驶的表层沙土的本构关系，为车辆行走机构与表层沙土相互作用的力学计算分析和研制沙漠运输车辆奠定了基础     

秸秆类生物质成型热黏塑性本构模型构建

针对生物质颗粒生产能耗高、效率低的现状,该文从生物质组成角度,特别是木质素特性出发探讨其成型机理。秸秆成型过程由于内摩擦力的作用产生大量热量,温度的上升会造成木质素的软化,木质素的这一变化为纤维颗粒的团聚提供了黏结力。温度和木质素特性对生物质塑性成型性能产生巨大影响,是热黏塑变形过程。为研究生物质内部特性对塑性成型过程的影响,运用内时理论,以玉米秸秆、小麦秸秆和水稻秸秆为研究对象,构建了秸秆类生物质压缩成型内时本构方程。借助黏土流动理论,推导定义生物质黏塑性强化函数和核函数,运用数值分析和试验得出本构方程的系数。与试验数据相比较,基于内时理论的热黏塑性本构模型较好的模拟了生物质塑性流变过程。结果显示,向秸秆中添加20%的木质素,可有效提高其塑性流动性能,降低其在相同应变下的应力以及生产能耗;当成型温度在100~115℃之间,应变率在1×102~1×103 s-1之间,对于木质素质量分数分别为29%的玉米秸秆、33.5%的小麦秸秆和34.3%的水稻秸秆的固化成型性能最好。     

氮素对苹果果实内源激素变化动态与发育进程的影响

以8年生红富士/平邑甜茶(M.domestica Borkh.cv.RedFuji/M.hupenensis Rhed)盛果期树为试材,研究重疏果条件下土壤施氮对苹果果实发育影响。结果表明,花后15周前施氮处理与对照单果重无显著差异,由于对照果实比施氮处理果实早1周左右进入迅速膨大期,此后3～4周对照果实单果重高于施氮处理,但对照果实比施氮果实早1周左右停止生长。由于施氮延长了果实生长期,采收时施氮处理平均单果重高于对照。施氮对GA3、ZRs、ABA与IAA的含量及其变化动态有较大影响,特别在果实细胞膨大期;施氮显著提高了这4种激素的含量,但其峰值出现较对照晚1～2周,并且GA3、IAA、ABA含量峰值出现的时间比果实相对生长速率(RGR)峰值出现的时间略早。植物生长调节剂处理不施氮果实,使果实生长期延长,单果重增加。这些结果表明,氮素通过影响果实的激素水平调控果实的生长动态。果实发育进程的变化导致了有关品质指标的变化,主要表现为随施氮量增加,果实水分含量增加,果皮叶绿素与果肉可滴定酸浓度提高,果皮花青苷与果肉可溶性糖浓度降低。     

基于甘蔗耕地黏土离散元参数标定的流变模型构建

针对华南宿根甘蔗的耕地土壤因多级复合团聚显现的逐层异构黏重性,为表征其特异性流变行为,该研究通过重黏土的离散元参数标定,构建团粒几何、力学属性多层演变的非匀质耕层模型,进而分析仿生壁板的推进阻力。结合休止角与三轴压缩试验及仿真结果,JKR表面能、恢复系数与动摩擦因数是影响重黏土流变响应的显著因子,不同耕层间参数差异明显。蕴含团粒级配分布、本征接触属性与黏聚特性的离散元模型具有表征多耕层复合流变性能的能力,通过三轴力学试验验证得到的本构响应偏差低于9.27%。采用该模型计算出的仿生耕作壁板推进阻力与土槽实测推进阻力之间的相对误差仅8.3%,表明对机具—土料互作关系的预测有效且较准确。研究结果可为触土部件适应性设计与动力学优化提供数据支持和模型参考。     

黏弹性材料动态力学性能的分数阶时温等效模型与验证

为构造一种更加精准的黏弹性时温等效模型,基于黏弹性阻尼材料的分数阶本构关系和Vogel-Fulcher-Tammann黏度方程,结合WLF(Williams-Landel-Ferry)方程,提出了黏弹性阻尼材料动态力学性能的分数阶时温等效模型(fractional time-temperature superposition model,FTTSM),导出频率转化因子,并给出参数识别方法。在DMA(dynamic thermomechanical analysis)试验数据的基础上,对比研究了FTTSM和WLF两种模型,并应用分数阶Kelvin-Voigt模型对二者在参考温度5℃的主曲线进行了验证。结果表明,FTTSM和WLF所表征的频率转化因子在温度范围(–80~80℃)内最大相对误差为0.984 4%,FTTSM主曲线和WLF主曲线相对于Kelvin-Voigt模型理论预测值的均方根误差(RMSE)分别为1.291和1.834 MPa,验证了FTTSM的精确性。另外FTTSM主曲线扩展的最低频域低于WLF主曲线2个数量级,证明FTTSM对黏弹性动态力学特性具有更广泛的预测能力。为黏弹性材料动态性能预测、物理老化、蠕变损伤演化机理等研究提供理论参考。     

高架草莓的果实识别与果梗分割

在高架栽培环境下,精准识别草莓果实并分割果梗对提升草莓采摘机器人的作业精度和效率至关重要。该研究在原YOLOv5s模型中引入自注意力机制,提出了一种改进的YOLOv5s模型（ATCSP-YOLOv5s）用于高架草莓的果实识别,并通过YOLOv5s-seg模型实现了果梗的有效分割。试验结果显示,ATCSP-YOLOv5s模型的精确率、召回率和平均精度值分别为97.24%、94.07%、95.59%,较原始网络分别提升了4.96、7.13、4.53个百分点;检测速度为17.3帧/s。此外,YOLOv5s-seg果梗分割模型的精确率、召回率和平均精度值分别为82.74%、82.01%和80.67%。使用ATCSP-YOLOv5s模型和YOLOv5s-seg模型分别对晴天顺光、晴天逆光和阴天条件下的草莓图像进行检测,结果表明,ATCSP-YOLOv5s模型在3种条件下识别草莓果实的平均精度值为95.71%、95.34%、95.56%,较原始网络提升4.48、4.60、4.50个百分点。YOLOv5s-seg模型在3种条件下分割草莓果梗的平均精度值为82.31%、81.53%、82.04%。该研究为草莓采摘机器人的自动化作业提供了理论和技术支持。     

苹果－瓦楞纸板缓冲跌落动力学模型

基于瓦楞纸板受冲击压缩变形的特征,提出-表征其非线性冲击力-变形模型,结合其跌落冲击试验结果表征模型参数.在此基础上,建立"富士"苹果-瓦楞纸板缓冲跌落动力学模型方程,进行不同高度下的苹果缓冲跌落冲击响应的理论分析,并与试验结果进行比较.结果表明,试验结果与理论模型结果吻合性好,所提出苹果-瓦楞纸板缓冲跌落冲击模型能合理地表征苹果缓冲跌落冲击动力学特征,瓦楞纸板能显著降低苹果跌落的冲击加速度.研究结果为果品缓冲包装设计提供了理论基础.     

果品静载流变特性的研究进展

本文通过对国内外各类果品的静载压缩流变特性研究现状的分析，指出了在果品的静载流变学研究领域内存在的主要问题，提出了今后果品流变学研究中需要加强和进一步研究的内容：1)加强对采后各阶段受压时果品的微观组织结构、生理生化过程的变化以及储运环境温度等因素与流变损伤效应的交叉性影响的研究； 2)加强对实际储运中较多出现的多果接触、受压问题的系统性研究；3)重视研究储运受压后流变损伤的发展与果品储藏品质关系的研究；4)根据国内外生产实际，应加强特色果品的流变学研究,像西瓜、甜瓜等，既具有较高的营养价值和经济价值，又在世界范围内广泛种植。同时，提出了以果品本身的粘弹性为依据，在ADAMS软件平台上利用计算机虚拟样机技术建立流变学模型并获得相应参数的新方法。     

基于改进UNet模型的油茶果振动采摘点定位方法

针对非花果同期油茶果采收效率低这一问题,提出一种侧枝振动采摘点定位方法,通过振动侧枝降低树木损伤并实现高效采收。首先构建数据集,对侧枝分段标注,向UNet中添加CloFormer注意力机制并命名为Clo-UNet,实现侧枝的二维重构。其次,在Clo-UNet基础上进一步设计采摘点定位方法并命名为Clo-UNet-Point,该方法优先选择采收离果实最远且最粗的枝条。试验表明,Clo-UNet在验证集上表现优异,其中br_con（连果枝）、danger（危险区）和br_pro（优先采收区域）的平均交并比mIoU分别达到85.36%、86.37%和81.29%,平均像素精度mPA分别达到94.97%、96.17%和89.48%,Clo-UNet在整个数据集上的mIoU和mPA分别比UNet高5.14、6.85个百分点。通过观察验证集647幅图像,Clo-UNet-Point算法在不同光照条件下均能定位到采摘点,平均检测一张图像用时0.15 s。该研究可为未来非花果同期类油茶果的自动化振动采收奠定理论基础。     

悬挂振动式油茶果采摘执行机构设计与试验

为促进油茶果产业的健康发展,提高油茶果采摘效率,降低成本,该文设计了一款悬挂振动式油茶果采摘机。在分析采摘执行机构的机构组成和工作原理的基础上,建立了采摘执行机构-油茶果采收动力学模型,得出了该系统稳态响应下的振幅表达式以及影响因素。通过对油茶树实地尺寸测量,对油茶树进行三维建模,利用ANSYS对油茶树建立柔性体模型,运用ANSYS和ADAMS对采摘执行机构-油茶树采摘系统进行刚柔耦合仿真分析,得到侧枝加速度与夹持高度和频率之间的关系以及果树夹持位置的运动轨迹,分析表明,果树在受到双偏心块式激励时,侧枝加速度呈周期性变化,夹持位置做往复直线运动,和采收动力学模型分析一致。利用油茶果采摘机进行采摘试验,试验结果表明,激振频率和夹持高度对树干振幅有影响,落果率和落花率随着采摘频率增加而增加,落果率随着加持高度增加而增加,落花率随着夹持高度增加而减小,在15 Hz和夹持高度1 300 mm时,能得到较高的落果率和较低的落花率,分别为95.1%和4.8%。     

切片莲藕臭氧保鲜呼吸模型的研究

为了研究臭氧保鲜包装理论,根据果蔬呼吸作用与薄膜透气特性的相互关系,建立了以臭氧作为保鲜气体的果蔬呼吸数学模型,并以切片莲藕作包装物、聚乙烯尼龙复合（PA/PE）膜作包装袋为例,利用遗传算法（GA）对呼吸模型中的参数进行了识别。另外,根据已建立的呼吸模型,通过仿真模拟出不同温度条件下袋内气体浓度的变化。结果表明7.5℃下模拟值与实测值能够很好地吻合,从而模拟值可为臭氧对果蔬保鲜包装设计提供理论指导。     

板栗收获拍打式落果装置设计与试验

针对板栗人工收获效率低、高空落果易伤人等问题,该研究设计了一种板栗收获拍打式落果装置。装置采用无急回特性的摇杆机构,建立拍打摇杆的角位移、角速度和角加速度运动学方程,进行动力学数值仿真。通过板栗树果实与树枝的分离力试验,得出不同拉力角的分离力变化规律,0°～90°,随着拉力角的增大分离力逐渐减小,拉力角为0°时最大分离力为65.24 N。对4种常用材料的拍打条分别进行三因素三水平正交试验。结果表明,聚氨酯材料的拍打力小于板栗与树枝的分离力,铁片和玻璃纤维拍打力满足要求但作用力过大容易损伤板栗树枝,最佳拍打条材料为低密度聚乙烯,最优组合为电机转速600 r/min、拍打条长度350 mm、拍打角度20°,此时拍打力大小为70.71 N。田间试验结果表明,该落果装置能有效采摘板栗果实,平均落果率为90.5%,且对板栗树枝损伤较小。该设计满足板栗果实的采摘要求,对板栗收获机的研发提供了理论依据。     

自然环境下多类水果采摘目标识别的通用改进SSD模型

为解决当前自然环境下水果识别率不高、泛化性不强等问题,该文以苹果、荔枝、脐橙、皇帝柑4种水果为研究对象,提出了一种改进的SSD(single shot multi-boxdetector)深度学习水果检测模型:将经典SSD深度学习模型中的VGG16输入模型替换为Res Net-101模型,并运用迁移学习方法和随机梯度下降算法优化SSD深度学习模型。该文基于Caffe深度学习框架,对自然环境下采集的水果图像进行不同网络模型、不同数据集大小和不同遮挡比例等多组水果识别检测效果对比试验。试验表明:改进的SSD深度学习水果检测模型对4种水果在各种环境下的平均检测精度达到88.4%,高于经典SSD深度学习模型中的86.38%,经过数据增强后平均检测精度可提升至89.53%,在遮挡面积低于50%的情况下F1值能达到96.12%,有较好的泛化性和鲁棒性,可以很好地实现自然环境下多类水果的精准检测,可为农业自动化采摘中的水果识别检测问题提供新的方案。     

用于振动采收的有果有叶果树振动模型构建

现有的果树振动有限元模型仅对果树的枝杆部分进行重建,忽略了果树的果实与树叶对果树固有频率的影响。该研究提出了一种将激光扫描技术与有限元法相结合,用空间6自由度梁单元构建果树空间振动模型。基于研究果实和树叶在树枝上的位置和质量分布规律,构建果树有果有叶、无果有叶、无果无叶振动模型。并对一棵小型实体银杏树分别处于有果有叶、无果有叶和无果无叶3种状态的频谱特性进行测试,并与构建的理论振动模型计算的各阶固有频率进行比对分析。结果表明,计算固有频率数量要多于实测所体现出来的固有频率数量,但实测固有频率均可在仿真频率中找到十分相近的值,且仿真模型的果树各枝振型幅值与实测的各枝加速度响应幅值相互的对应关系基本吻合;计算模型的最大相对误差为5.76%。该研究所述建模方法能够较准确有效地获取果树固有频率。     

气力滚筒式蔬菜穴盘播种机吸排种动力学模型的研究

为设计结构合理的气力滚筒式排种器,按单刚体系统对种子的吸排种过程建立动力学模型,结合试验研究影响吸排种效果的主要因素.在吸附阶段,选用合适的滚筒材料,提高种子与滚筒间的摩擦系数,适当增大气流量,减小种子与吸孔的距离,可以大大提高吸附效果.为保证种子能随滚筒转到排种位置,需限制滚筒的最大圆周速度,为此滚筒直径尺寸应适中,滚筒上吸孔按种子平均直径设计,并应合理调节吸种气腔内的真空度.在排种阶段,应优化设计滚筒气腔结构,使每行排种孔的流场分布尽量均匀,以尽量减小射流场对排种穴距不均匀的影响.