仿生食品质构仪设计与试验

利用仿生技术设计了仿生咀嚼装置、仿生牙周膜,搭建了二级信号放大电路,使用Visual C++语言开发了测试软件,组建成仿生食品质构仪。使用该质构仪对苹果、胡萝卜进行了质地测量试验,并与感官评价、通用质构仪测量进行对比。Pearson相关性分析表明,仿生食品质构仪测量结果与感官评分达到了极显著的相关性,与苹果硬度、脆性的相关系数为0.970、0.904,与胡萝卜硬度、脆性的相关系数为0.961、0.971,均大于通用食品质构仪测量与感官评分的相关系数。     

旱区胡麻仿生收获割台设计

为防止胡麻收获过程中发生的茎秆缠绕、堵塞、籽粒损失严重等问题,设计一种携有辅助脱粒装置、气流清理装置和仿生切割装置的胡麻收获割台。通过计算确定辅助脱粒装置及气流清理装置的关键设计参数。结合Solidworks flow simulation对割台进行输送气流场分析,分析结果显示流场分布基本符合设计要求;同时应用Solidworks Autotrace工具捕捉胡麻天敌害虫朝鲜金龟子咀嚼式口器上颚切齿叶的基本轮廓,进一步优化设计后建立仿生切割器动刀片三维模型,并通过刀片横向位移图和传统切割器进行对比,对比结果表明:仿生切割装置空白区减少50%,重割区减少80%,切割效果明显优与传统的标准型切割器。为北方旱区胡麻机械化收获装置的研发提供借鉴与参考。     

一种可连续化进行的胃肠仿生消化装置的设计

胃肠仿生消化是研究食品营养学及药物代谢动力的重要方法。为实现胃肠仿生连续消化,对胃肠仿生消化装置进行了设计,本胃肠仿生模拟消化装置包括胃肠仿生消化桶及仿生模拟消化控制系统,设置了结构相同的中间腔体的胃仿生消化桶和肠仿生消化桶,外围设置有加热仓,消化桶上均设置有搅拌机构、玻璃观察窗、取样装置、酸液存储槽及碱液存储槽、pH传感器、加热管及温度传感器,二号消化桶右侧固定有控制系统单元的配电箱。装置便于实现胃肠仿生模拟消化过程pH值、温度和搅拌速度的控制与调整,以及消化液的取样分析及消化过程的观察监测,可用于食品营养基质或生物活性物质的仿生消化情况的监测。     

基于EfficientDet网络的湖羊短时咀嚼行为识别方法

为分析羊进食行为、自动估算其进食量,提出一种从舍饲湖羊采食视频中自动识别其短时咀嚼行为的方法。首先,针对舍饲湖羊采食区域特点,在EfficientDet网络架构中增加目标框筛选模块,检测视频帧中羊嘴张开、上下颌错开及闭合3种状态,根据羊脸与相机拍摄角度的方位关系检测羊嘴状态,并为各状态赋编码值;然后,利用正则表达式提取连续视频帧中的一次上下颌张合对应的羊嘴状态编码值序列片段;最后,针对羊侧脸面对相机咀嚼、抬头正脸面对相机咀嚼、低头正脸面对相机咀嚼以及鸣叫等一次上下颌张合动作对应的羊嘴状态编码值序列片段构建分类规则,实现短时咀嚼行为的自动识别。对比了基于EfficientDet-D0~D4、YOLO v5和SSD网络的羊嘴状态检测性能,结果表明,改进的EfficientDet-D1网络能以28.18 f/s的传输速率,获得95.64%和98.84%的羊嘴状态检测精确率和均值平均精确率,优于YOLO v5和SSD网络。利用湖羊采食视频测试EfficientDet-D1网络结合正则表达式的湖羊短时咀嚼行为识别分类规则性能,结果表明,分类规则能以91.42%的自动识别正确率和90.85%的平均正确率直接从视频中提取湖羊短时咀嚼行为发生次数和持续时长。本研究将基于视频的湖羊短时咀嚼行为识别问题转换为羊嘴状态编码值序列分类问题,降低了分类模型的复杂度,为湖羊短时咀嚼行为的自动识别提供了一种新的研究思路。     

免耕播种机动态仿生破茬装置设计与参数试验优化

针对中国东北地区玉米秸秆粗壮量大、不易腐烂,造成免耕播种机破茬防堵装置秸秆根茬切断率低和作业所需切割扭矩大的技术难题,以蝗虫口器多段阶梯锯齿状结构和双上颚异向等速咬合运动方式为仿生原型,设计一种可在东北地区实现高效破茬防堵作业的动态仿生破茬装置。通过仿生构建、机构设计、理论分析和参数优化等方法设计了行星齿轮变速机构和仿生破茬刀;运用Arduino系统和智能控制方法设计了智能驱动系统,实现了运动方式-结构耦合仿生;通过参数优化试验和回归分析等方法,研究了结构和作业参数对秸秆切断率和切割扭矩的影响规律,并得出最佳参数组合:作业速度为10 km/h,回转半径为250 mm,正转破茬刀仿蝗虫口器刀片数量为9,反转破茬刀仿蝗虫口器刀片数量为18;最终通过对比试验得出动态仿生破茬装置相较于被动缺口圆盘破茬刀可提高秸秆根茬切断率22.6%~27.4%;相较于驱动缺口圆盘破茬刀可提高秸秆根茬切断率8.6%~13.5%,降低扭矩输出19.5%~21.8%;作业后使用共聚焦激光扫描仪进行耐摩擦磨损对比试验,其平均表面粗糙度和最大磨痕深度相较于驱动缺口圆盘破茬刀分别下降14.5%和15.9%。     

大豆播种机破碎式仿生覆土装置设计与试验

受东方蝼蛄刺状挖掘足能够高效挖掘土壤的启发,设计了大豆播种机破碎式覆土装置,以提高其碎土性能。对东方蝼蛄前足的趾爪趾长、趾尖角、趾间距、侧面的楔角进行测量,以此为依据设计了仿生碎土圆盘。破碎式仿生覆土装置由大小碎土圆盘、折弯法兰、固定机架、旋转副、减震弹簧和悬挂架组成。本覆土装置专为双行种子沟设计,可实现对大豆沟槽双侧进行覆土。对仿生碎土圆盘碎土齿进行了受力分析,并利用Ansys及Ls-Dyna软件对所设计部件进行仿真优化分析,得到碎土圆盘切削受力情况土壤的等效应力分布以及覆土过程中种子横向位移。田间试验结果表明破碎式仿生覆土装置完成了覆土功能要求,破碎率达到92.2%,平均覆土厚度为2.4 cm,平均种子行间距为10.1 cm。     

高含水率玉米仿生脱粒元件设计与试验

为减少玉米脱粒装置造成的籽粒破损,研发适用于高含水率玉米脱粒装置,以先玉335品种玉米为脱粒对象,进行了脱粒元件的仿形、刚柔耦合作用设计,以及凹板的栅格板仿形设计与制作。通过简易脱粒装置对仿生脱粒元件脱粒原理进行了分析与试验验证,并与现有短纹杆式脱粒元件的脱粒性能进行了对比。试验结果表明:当玉米籽粒含水率在25%~33%范围内、采用相同凹板时,两种脱粒元件造成的玉米破损率均随籽粒含水率的升高而增大,且纹杆式脱粒元件的玉米破损率明显高于仿生脱粒元件的破损率;凹板栅格板采用仿形结构的玉米脱粒破损率小于栅格板斜面为45°结构的破损率。本研究为高含水率玉米脱粒装置的设计开发提供了理论依据。     

水田驱动叶轮仿生叶片机理数值模拟分析

根据水牛蹄独有的几何外形适于水田等松软地面行走和行走阻力低的特性,运用逆向工程技术提取仿生信息,并设计水田叶轮仿生叶片.通过数值模拟的方法研究仿生叶片性能改善的机理,以进一步指导叶轮的设计.仿生叶片与平面单叶片轮叶的计算机模拟对比分析表明,仿生叶片提高推进力的机理主要为:有效延缓叶片表面流体速度突变造成的流体介质冲击与分离,减小分离流对叶片的撞击阻力,提高叶轮驱动力;仿生叶片可增加叶片驱动扭矩,使叶轮驱动力增加.     

基于鼹鼠多趾结构特征的仿生切土刀片设计与试验

为降低土壤耕作阻力,分析了鼹鼠前肢手掌的多趾组合结构特征,得到鼹鼠多趾组合结构是一种多窄齿组合结构,且相邻齿间间距可调整,最终确定了多趾组合结构的数学模型。基于该模型,设计了具有仿生结构特征的切土刀片。通过土槽试验,采用四因素三水平的二次正交回归试验方法,分析仿生结构元素m和n、土壤含水率和切土倾角对水平阻力的影响,得到土壤含水率和切土倾角对水平阻力的影响更显著,最优仿生结构元素m为5、n为1.75。通过比较传统和仿生刀片在切土倾角10°~90°和土壤含水率10%~30%下的水平阻力,得到仿生几何结构对刀片切土的临界倾角无显著影响,但土壤含水率对其有显著影响：当土壤含水率为10%和20%时,临界倾角均为30°左右;当土壤含水率为30%时,临界倾角均在40°~50°之间。然而,仿生几何结构对刀片所受的水平阻力有显著影响,在相同的土壤含水率下,仿生刀片的水平阻力总小于传统刀片的水平阻力：当土壤含水率为10%、20%、30%时,仿生刀片的水平阻力分别减小11.48%~39.16%、17.81%~28.00%和11.19%~33.26%。此外,水平阻力的变化与土壤内聚力具有极大的相关性,研究表明土壤含水率为10%~20%时,仿生刀片具有更好的切土性能。     

鲜食玉米收获机关键部件设计研究

针对鲜食玉米人工收获劳动强度大、普通玉米收获机收获损伤率高的问题，采用仿生摘穗原理研发鲜食玉米收获机，对夹持装置、摘穗装置、切割装置等关键部件进行了设计研究，确定了其参数。田间试验表明可满足鲜食玉米收获要求，具有推广应用前景。     

基于肌电信号的仿齿压头对食品质地的影响

利用设计的仿齿压头进行了食品质地测试,并提取了咀嚼过程中咬肌肌电图的特征值。研究表明:仿齿压头测试数据与特征值相关性显著;第1次压缩做功与咬肌活动量、硬度与咬肌信号峰值的相关系数分别为0.866、0.934,均大于普通压头的测试数据与特征值的相关系数(0.740、0.907)。利用仿齿压头测得的质地特性与咬肌活动变化规律的平均密切程度比普通压头高9.3%,仿齿压头能更好地反映食品的实际质地特性。     

仿生步行足沙地力学特性研究

基于螃蟹对滩涂、沙地、湿地等有很强的运动适应性,参照中华绒螯蟹步行足指节的结构,设计了4种仿生步行足:圆锥、圆锥沟纹、棱锥和圆柱沟纹步行足,并与圆柱足对照。通过土槽试验,考察在多种试验条件下,不同步行足对入土力、支承力、推进力和出土力的影响,并采用正交试验分析影响推进力的主要因素。与圆柱足的对比试验结果表明:仿生足有良好的沙地力学特性,锥形仿生足入土力减小64.71%~95.43%;圆柱沟纹仿生足使支承力增加9.48%~24.31%,推进力提高3.84%;仿生足出土力降低13.26%~89.83%,有效减少能耗。研究成果为松软路面步行机构触土部件的设计与优化提供了基础依据。     

自适应低振动步行轮仿生设计与性能分析

为提高具有高通过性的步行轮平顺性,基于鸵鸟足运动姿态与跖趾关节储能减振机理,运用工程仿生学原理与技术,设计了一种仿生自适应低振动步行轮。有限元数值模拟结果表明,轮上载荷30 N,角速度10(°)/s情况下,相比于传统步行轮,仿生步行轮轮心波动范围在软路面和硬路面分别降低了85.71%和93.33%。采用轻载荷月壤/车轮土槽测试系统验证了仿生步行轮的减振性能。当滑转率小于40%时,仿生步行轮的挂钩牵引力均大于传统步行轮;当滑转率大于40%,且仅在角速度为20(°)/s时,仿生步行轮的挂钩牵引力才小于传统步行轮,表明仿生步行轮在松软地面具有较好的牵引通过性。同时,相比于传统步行轮,当角速度为30(°)/s时,仿生步行轮在软路面和硬路面的加速度分别减少了6.3%和15.8%,振幅分别减小了14.6%和9.6%。在保证松软地面优越牵引通过性能前提下,仿生步行轮比传统步行轮的轮心波动更小,振动明显降低,有效解决了步行轮多边形效应引起的振动问题。     

油菜混合物与仿生筛面基体间的粘附特性

运用图像处理中的超绿特征提取与分割技术,构建油菜粘附特性测试系统,以残留粘附面积r为测量指标,引入粘附率μ和减粘率τ为衡量指标,通过粘附试验,测取并分析了油菜混合物与仿生筛面基体之间的粘附特性。试验结果表明,仿生非光滑筛面的减粘率普遍超过30%,最高达到90%,减粘作用显著;仿生凸包的减粘作用优于仿生凹坑;普通筛面的粘附程度依赖于油菜混合物的成分,而仿生非光滑筛面的粘附程度基本不依赖于油菜混合物的成分及质量比例,能在不同的收获环境与条件下保持较为稳定的减粘作用。     

基于离散元法的三七仿生挖掘铲设计与试验

为减小三七收获过程中的挖掘阻力,以三七根茎及种植土壤为研究对象,测定本征物理参数,设置Bonding键参数建立三七根茎的离散元模型,分析根土粘结机理,利用Hertz-Mindlin with JKR建立三七根茎-种植土壤离散元复合模型;建立并分析挖掘铲的理论力学模型,确定仿生挖掘铲设计尺寸(长×宽×厚)为：360 mm×150 mm×8 mm、入土角30°、铲尖半角60°;采集野猪头三维模型的点云数据,确定仿生铲的结构曲线方程,建立仿生挖掘铲的三维模型;开展仿生挖掘铲与平面挖掘铲的仿真对比试验,追踪颗粒位移流向得平均位移以及平均挖掘阻力,分析颗粒的速度矢量明晰了挖掘铲面的减阻机理,得仿生挖掘铲的仿真试验减阻率为19.15%;利用高速摄影和阻力采集设备开展土槽试验,结果表明土壤颗粒流向与仿真趋势一致,仿生挖掘铲和平面挖掘铲的平均挖掘阻力为1 207.23、1 594.49 N,仿生挖掘铲减阻率为24.29%,与仿真试验减阻率十分接近,验证了离散元模型准确可靠、挖掘铲力学模型构建准确,仿生结构设计合理。     

仿生非光滑筛面近筛层微观气流场研究

以入风口角度和筛面形态为试验因素,对仿生非光滑筛面近筛层微观气流场进行了数值模拟研究,并对仿生非光滑清选筛和普通光滑清选筛进行了田间对比验证。试验结果表明：入风口角度对清选筛面上近筛层内的微观气流场基本没有影响;仿生非光滑筛面形态将筛孔间近筛层内的单个小漩涡分解为2个小漩涡,致使漩涡流线不能完全地从筛面经过,使得细小油菜物料难以与仿生非光滑筛面充分接触,起到了减粘作用;仿生凸包的减粘作用较仿生凹坑明显。     

液体食品连续通电加热装置

为实现液体食品的通电加热,结合整流逆变技术设计了液体食品连续通电加热装置,系统由可控脉冲电源、加热室、液泵和流量控制4部分组成。可控脉冲电源输出双极性高频方波脉冲电压,频率、电压和占空比可调,输出功率可达50 kW。实验证明,该装置加热速度快、控制简单方便、极板污染很少,能够满足液体食品的加工要求。     

肋条型仿生镇压辊减粘降阻试验

基于臭蜣螂腹侧面的几何结构,设计了9种肋条型仿生镇压辊。肋条结构采用具有良好疏水性的超高分子量聚乙烯材料。采用L9(34)正交表,考察了土壤干基含水率为20%时,肋条结构底面宽度W、高宽比R、镇压辊载荷F和面积比K对镇压辊粘附土壤量和牵引阻力的影响。结果表明:在试验条件下,与普通镇压辊相比,仿生镇压辊在保证适宜玉米生长容积密度前提下具有明显的减粘效果,减粘率最高可达41.08%;合理的肋条结构尺寸可使仿生镇压辊的减阻率达11.75%~39.40%。采用极差法对试验结果进行分析,得到了影响镇压辊粘附土壤量和牵引阻力因素的主次顺序及最优水平,并探讨了各因素对镇压辊粘附土壤量和牵引阻力的影响。