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。     

基于离散元法的牛肉咀嚼破碎模型构建

为了实现准确、便捷、客观地牛肉嫩度分级检测。该文利用离散单元法构建牛肉块在口腔中咀嚼破碎模型,并进行仿真模拟。研究中选取50头牛的眼肉作为试验样品,30头牛用于构建模型,20头牛用于验证仿真模型的准确性。试验牛样品在75~80℃的恒温水浴中加热至样品内部温度达到70℃时取出,冷却至室温(20℃)。利用质构仪测得牛肉样品的剪切模量、法向刚度等参数,同时测得密度、碰撞恢复系数、摩擦系数等构建离散元模型需要的相关参数。利用测得的参数构建牛肉咀嚼破碎的离散元仿真模型。将咀嚼破碎的牛肉微颗粒作为离散单元模拟仿真中的最小单位,利用Hertz-Mindlin with bonding模型中的颗粒体积力将牛肉块替换为微颗粒黏结的颗粒簇。在咀嚼作用下,当任意2个微颗粒之间的法向应力和切向应力超过最大极限值时,颗粒簇就开始破碎,仿真牛肉的咀嚼破碎过程。研究中利用离散元模拟仿真4个咀嚼周期并记录力和牛肉颗粒的变化。采用感官评定法和剪切力测定分别验证仿真的准确性,准确率都达到90%。研究表明,利用离散元模拟仿真能有效地实现牛肉嫩度等级的预测评定,为牛肉嫩度品质检测提供新方法。     

成灰温度对三种生物质灰及其元素水溶性的影响

生物质灰及灰中化学元素的水溶特性是其是否能作为肥料应用的主要指标,成灰温度会影响这些特性。该文试验研究了成灰温度在400~800℃范围内,3种主要农业废弃物麦秸、玉米秸、稻壳的灰的水溶性和灰中各元素的水溶性。结果表明:1)麦秸灰、玉米秸灰的水溶性明显高于稻壳灰,三者水溶性都随成灰温度增高而显著降低,温度从400升高到800℃,水溶性分别从48%,35%和12%降至约12%,8%和0。2)灰中水溶元素主要有K,Cl和S,其中,K和Cl的水溶性随着成灰温度升高而降低,而S的水溶性几乎不受成灰温度的影响。     

高速电磁阀电磁力近似模型的构建与分析

为提高高速电磁阀动态响应速度,采用近似模型方法,以建立电磁阀多物理场零维近似耦合模型,实现其性能高效预测及优化。首先创建了柴油机电控单体泵高速电磁阀电磁力有限元计算模型,并通过与试验对比验证了模型的精度。结合面中心复合设计、嵌套中心复合设计、最优拉丁超立方设计与二次多项式响应面模型、Kriging模型、径向基函数模型,构建了18组电磁力近似模型。分析了不同样本点集大小、试验设计方法及近似方法对近似模型精度的影响。得出近似模型的精度随着样本点集的增大并非呈现单调递增的关系;而最优拉丁超立方试验设计与Kriging模型、径向基函数模型具有良好的适应性。构建高速电磁阀工作气隙、驱动电流、线圈匝数、副磁极半径、衔铁厚度、衔铁半径等关键参数的电磁力近似模型最佳方案是最优拉丁方试验设计与Kriging模型的组合,样本点集大小为二次多项式响应面模型所需最少样本点数的1.5倍,模型复相关系数、平均绝对误差、均方根误差值分别为0.97、0.06、0.09。该研究为高速电磁阀多物理场零维近似耦合模型的建立及其优化提供了参考。     

双层种箱式马铃薯排种装置设计与试验

为了提高链勺式马铃薯排种装置排种性能,该研究基于离散单元法理论,使用EDEM软件建立了排种装置数值模型,在对排种过程中种薯运动规律仿真分析的基础上,设计了具有双层种箱结构的排种装置,以空种率和重种率为性能指标,试验研究了排种速度、种勺直径和充种高度对充种性能的影响规律,利用回归方程和多目标优化方法对双层种箱式排种装置进行了参数的优化设计,结果为:1)排种速度0.67 m/s、种勺直径48.6 mm、充种高度0.28 m时,空种率和重种率分别是3.8%和8.8%;2)排种速度0.36 m/s≤v≤0.96 m/s、种勺直径44 mm≤d≤56 mm、充种高度0.15 m≤h≤0.28 m时,空种率小于10%,重种率小于20%。种薯运动规律表明:增大高效充种区、增强种薯流动性可以有效提高充种成功率。试验结果表明:与单层种箱式排种装置相比,双层种箱式排种装置空种率降低50%,重种率降低24.5%;排种速度提高92%时,仍可保证排种性能。该研究为链勺式马铃薯排种装置的优化设计提供指导。     

圆盘式开沟机作业功耗仿真分析及试验验证

为探明土壤条件和工作参数对圆盘式开沟机作业功耗的影响规律,该文采用光滑粒子流体动力学方法构建了土壤-开沟刀盘的有限元模型,利用ANSYS软件中的显示动力模块LS-DYNA对开沟刀盘土壤切削过程进行仿真分析,得出开沟刀盘在土壤切削过程中功率消耗的变化规律。结合正交试验设计和数值模拟技术,研究土壤坚实度、刀盘转速和开沟深度对圆盘式开沟机作业功耗的影响规律,得出影响作业功耗的因素主次顺序是土壤坚实度开沟深度刀盘转速。采用多变量单目标优化方法,建立关于土壤坚实度、刀盘转速和开沟深度的作业功耗模型,利用Matlab软件对功耗模型进行求解,得出当土壤坚实度为120 N/cm~2,刀盘转速为225 r/min,开沟深度为405 mm时,作业功耗最小为32.4 k W。通过土槽试验对优化结果进行验证,结果表明:理论值与试验值的相对误差为5.68%,作业功耗模型和优化结果具有较高的准确性。该研究可为圆盘式开沟机选择节省功耗的参数组合提供参考。     

中亚热带丘陵区茶园和林地土壤春季2排放及其影响因素

中亚热带地区春季降雨频繁,茶园施肥量大,该季节茶园土壤氧化亚氮（N2O）排放量较高,研究春季茶园土壤N2O排放及其影响因子有一定意义。以中亚热带丘陵区土壤为对象,采用静态箱-气相色谱法,研究了两种植茶年限茶园和林地土壤春季N2O排放特征及其影响因子。结果表明：茶园N2O排放量明显高于林地,50年茶园N2O排放量明显高于20年茶园,林地N2O的排放量最少;50年茶园、20年茶园和林地土壤春季N2O累积排放量分别为2.07、1.39、0.22 kg·hm-2。两种植茶年限茶园土壤N2O排放通量均与土壤NO-3-N含量呈显著正相关（P<0.05）,林地土壤N2O排放通量则与土壤NH+4-N含量呈极显著正相关关系（P<0.01）;茶园和林地土壤N2O排放通量均与5 d累积降雨量之间存在显著的相关性。多元逐步回归分析显示,茶园土壤N2O排放通量受土壤温度和NO-3-N含量影响,共同解释其48%~49%的变化;林地土壤N2O排放通量受土壤温度和NH+4-N含量影响,共同解释其55%的变化。这项研究显示施肥对春季茶园N2O排放的促进作用与降雨有关。     

不同母质发育土壤的中红外吸收光谱特征

选取湘东丘陵区四种典型母质发育土壤(酸性紫色土、花岗岩红壤、板岩红壤和第四纪红土红壤),采集剖面(深至母岩/母质层)样品,应用傅里叶变换红外光谱仪研究灼烧去除有机质处理、土层深度和母质类型对土壤中红外吸收光谱特征的影响,分析吸收光谱与土壤理化性质的关系。结果表明,去除有机质后,特征区的中红外吸收值升高,反映矿物质对红外吸收谱线的强烈影响。在剖面上,底土(60~80 cm或100~120 cm)的中红外吸收值高于表土(0~20 cm),与土壤有机质含量的剖面分布相反。四种土壤的中红外光谱均属典型的高岭石图谱。砂粒、粘粒含量与红外吸收值的相关性最好,砂粒含量的最大相关系数(0.51)出现在3700、913和720~540 cm~(-1)附近,粘粒含量的最大相关系数(0.54)出现在1100~694 cm~(-1);本研究表明,原土的中红外吸收光谱特征主要受矿物质的支配,可以很好地反映土壤质地的状况,指示土壤质量变化。     

应用物元分析法评价矿区周边土壤重金属污染的变化

为分析煤矿开采对土壤重金属污染水平的影响,尝试利用物元分析和主成分分析(PCA)方法对宿州市矿区周边土壤重金属污染水平进行评价。结果表明:(1)煤矿开采、堆放对土壤重金属污染具有重要影响,与非矿区背景值相比,Cr含量达到非矿区土壤背景值的2~4.17倍,Cd含量达到非矿区土壤背景值的1~3.05倍,Pb和Cu含量达到非矿区土壤背景值的2倍左右,As的含量略高于非矿区土壤背景值。(2)综合关联度结果显示,土壤重金属污染在100 m处未达到轻度污染的标准要求,但具备向轻度污染转化的条件;200 m和400 m处分别达到轻度污染和清洁等级要求,但隶属该等级的程度不强,且随着距离增大土壤重金属含量和污染程度均在下降。(3)物元模型能够揭示每个土壤重金属元素的分异信息和综合评价的中间信息,适用于土壤重金属污染水平评价。     

基于有限元方法的整形果树振动收获机理分析

为提升振动式采收机械的设计效率,该文在分析常见振动收获机工作机理的基础上,建立了3种典型整形果树实体模型,利用有限元方法得到其在1~50 Hz低频范围内的固有频率和模态振型,并进行了振动响应特性仿真试验。结果表明,整形果树固有频率和模态振型受果树形态影响较大,3种典型整形果树的低阶固有频率主要集中在7~11阶范围,分别在13.5、12.0和7.5 Hz时振动响应最为剧烈,且一致性较好;同时,不同加载方式对于整形果树振动响应特性具有较大影响,其中双体多向加载较为适合于纺锤形果树,而单体回旋型加载则更适合于自然开心型和直立平面形果树。该方法可为不同类型整形果树振动式收获机械的设计提供参考。