基于概念设计的土壤压实测量装置研究

论文摘要

土壤压实是土壤颗粒之间的小孔丢失从而引起空气与水不能自由流通的自然现象。土壤一旦压实，若不实施根本的物理干扰，就很难恢复到初始状态。而且往往是植被生长以后就很难进行彻底的物理修复，仅靠生长在压实土壤上的植物和土壤中的动物及微生物等进行修复是一个非常漫长的过程。由于土壤压实对农业生产有较大的影响，因此研究土壤压实机理及其应用一直是相关学术领域关注的重点。其中，探索准确有效地衡量土壤压实程度的测量方法，又是相关研究的热点。现有的土壤压实测量方法和装置主要是测量土壤的紧实度、容重、孔隙度。由于土壤本身的物理性质受外界条件的影响较大，大多数测量装置只能对土壤的压实程度做粗略的测量，测量精度比较低，而且测量时多数需依靠人工操作来完成，过程复杂。本文通过对概念设计的基本理论进行分析研究，得出概念设计中的TRIZ理论是指导机械创新设计最有效、最简单的创新设计理论。在分析现有土壤压实测量装置的基础上，利用TRIZ理论中的冲突、物质—场分析模型、冲突解决矩阵及发明原理，获得了新型土壤压实测量装置的设计方案。针对土壤的物理特性，对冲击原理进行分析，并对土壤的粘弹性模型进行研究，建立冲击与土壤之间的联系，为土壤压实冲击测量装置建立了冲击杆—土壤系统的动力学模型，并对模型进行分析研究，简化出更适合土壤冲击特性的动力学模型。根据所得的设计方案对新型土壤压实测量装置进行了总体设计，设计出了基于冲击原理的新型土壤压实测量装置，并把冲击杆—土壤系统的动力学模型应用于土壤压实测量装置的数据计算上。运用Visual Basic6.0建立了新型土壤压实测量装置的计算系统，使得测量装置测出弹簧的压缩量和冲击深度后，直接输入计算系统，通过计算系统的运算，即可输出所测土壤的紧实度。通过应用本课题研制的新型土壤压实测量装置及其数据分析计算系统进行试验研究可知，在同一土壤上，同一冲击力下，土壤压实冲击测量装置的冲击深度越大，表明土壤的压实度越小；反之，冲击深度越小，表明土壤的压实度越大。同时，测量方法的不同也会影响土壤压实程度的测量结果，在测量过程中人为参与施加力的测量装置所得的测量结果精度都不高，因此在测量过程中要尽可能的减少人为施力的情况。本课题所研制的冲击式土壤压实测量装置结构简单、调整方便、可靠性好，测量结果能基本满足土壤压实研究的需要。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 土壤压实的性质
• 1.2.1 土壤压实的物理特性
• 1.2.2 土壤压实的机理
• 1.2.3 土壤压实的原因
• 1.3 土壤压实测量方法的研究现状
• 1.3.1 土壤压实的传统测量方法
• 1.3.2 传统测量方法存在的不足
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第二章 概念设计的基本理论
• 2.1 概念设计的概述
• 2.1.1 概念设计的定义
• 2.1.2 概念设计几种理论的介绍
• 2.1.3 概念设计的国内外研究现状
• 2.2 概念设计的特征
• 2.3 概念设计的过程
• 2.4 概念设计中的重要理论——TRIZ理论
• 2.4.1 TRIZ的定义
• 2.4.2 基于TRIZ的产品进化过程和进化定律
• 2.4.3 原理解的分级和理想解
• 2.4.4 设计中的冲突
• 2.4.5 发明原理和冲突解决矩阵
• 2.4.6 物质一场模型
• 2.5 本章小结
• 第三章 新型土壤压实测量装置的方案设计
• 3.1 土壤压实的测量装置
• 3.1.1 土壤容重测量装置
• 3.1.2 土壤紧实度测量装置
• 3.2 现有土壤压实测量装置的分析
• 3.3 基于TRIZ的发明问题解决过程
• 3.4 基于TRIZ的新型土壤压实测量装置方案设计
• 3.4.1 土壤压实测量装置功能的物质—场分析
• 3.4.2 土壤压实测量装置的技术冲突及消除
• 3.4.3 新型土壤压实测量装置的设计方案
• 3.4.4 新型土壤压实测量装置设计方案的分析
• 3.5 本章小节
• 第四章 土壤压实冲击测量装置与土壤系统的动力学模型
• 4.1 冲击原理
• 4.2 粘弹性模型的研究
• 4.2.1 粘弹性的模型表述
• 4.2.2 线性粘弹性模型
• 4.2.3 非线性粘弹性模型
• 4.3 土壤压实冲击测量装置—土壤系统动力学模型的建立
• 4.3.1 土体的描述和简化
• 4.3.2 土壤压实冲击测量装置—土壤系统的简化模型
• 4.4 对冲击杆—土壤系统动力学模型的分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 新型土壤压实测量装置的总体设计及试验研究
• 5.1 新型土壤压实测量装置的总体结构设计
• 5.1.1 弹簧的设计
• 5.1.2 圆锥头的设计
• 5.1.3 圆柱筒的设计
• 5.1.4 其它零部件的设计
• 5.1.5 测量装置主要性能参数的选择
• 5.2 测量装置所测参数的分析研究
• 5.3 土壤压实冲击测量装置的试验研究
• 5.3.1 试验背景
• 5.3.2 试验条件
• 5.3.3 试验方案与实施
• 5.3.4 试验分析
• 5.4 土壤压实测量装置与压实度关系的研究
• 5.4.1 测量方法与压实度之间的关系
• 5.4.2 冲击深度与压实度之间的关系
• 5.4.3 新型土壤压实测量装置稳定工作的条件
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A 攻读硕士研究生期间公开发表的学术论文