草物料压缩流变动力学特性研究及压缩过程优化

论文摘要

本文从保护环境、合理开发利用草资源为出发点,进行了草物料压缩过程中流变动力学特性试验研究。首先完成了草物料压捆试验台的设计与制造。该试验台能进行单因素和多因素试验,实现了压捆室截面、长度可调,活塞行程端点停留时间可调。设计了虚拟仪器数据采集分析系统,能够采集全过程的压缩力、压捆室壁的侧压力、草物料（草片）压缩量、厚度、变形恢复量等,可适时观察、记录采集到的数据,并能够转换为其它格式的文件存贮,在MATLAB软件中进行数据分析处理、计算、作图等,显著地提高了数据处理的效率和可靠性。然后进行单因素和多因素试验,得出了以下结论:1)在压缩过程中其它条件一定的情况下,研究压捆室截面形状、尺寸对压缩过程的影响。以一次喂入的草物料为研究对象,对压缩全过程进行流变动力学特性研究,指出草物料压缩过程是一个大变形过程,探索压捆室不同截面下草物料在全过程中的应力—应变关系。试验结果表明草物料的应力-应变关系为非线性,加载曲线与卸载曲线不同,且卸载曲线回不到原点。形成草片后,在循环载荷的作用下,草片的压缩模量依次增大,草片的卸载曲线与直接压缩过程中的卸载曲线形状差别逐渐增大,各草片的恢复模量也依次增加,抵抗变形的能力逐渐增加。在压缩全过程中都有应力松弛现象发生。2)指出不同截面下草片的弹性变形恢复对压缩过程中的功耗影响很大。随压捆室截面的增大,压缩过程中草片弹性变形恢复率、比功均表现为先降低后增加趋势。3)草物料在不同截面下直接压缩后应力松弛曲线具有相同的特征,采用逐次剩余法,建立了苜蓿、揉碎玉米秸秆直接压缩后草片的应力松弛模型,均为3个[M]并联的广义Maxwell模型,相应获得了应力松弛方程、参量及其变化规律。4)揭示了不同截面下最大轴向压缩力沿压捆室长度的分布规律和弹性恢复应力沿压捆室的分布规律,对压捆机的结构设计和提高产品的形态稳定性具有重要的指导意义。5)揭示了在不同截面下压缩草物料时,草片在压紧时和恢复后沿压捆室长度的密度分布规律。研究表明草片在循环载荷的作用下,其密度有所提高,且存在密度平稳区,在压紧和恢复时草片的密度基本保持不变,建议在该区进行打捆,以获得较高的产品密度。6)在一定的压缩条件进行不同截面的压缩时,所需的比应力和比密度不同。随压捆室截面增大,比应力表现为先减少后增加的规律,而比密度表现为先增加后减少的规律。

论文目录

• 1 引言
• 1.1 选题依据及与意义
• 1.1.1 草地资源现状及存在的问题
• 1.1.2 秸秆资源利用现状与前景
• 1.1.3 农业结构战略性调整,给草业发展提供契机
• 1.2 国内外草物料压缩流变学研究现状及存在的问题
• 1.2.1 国外草物料压缩流变学研究现状
• 1.2.2 国内草物料压缩流变学研究现状
• 1.2.3 草物料压缩流变学研究存在的问题
• 1.3 研究内容和方法
• 1.3.1 设计、制造草物料压捆试验台
• 1.3.2 直接压缩过程中流变动力学特性的试验研究
• 1.3.3 草片移动过程中流变动力学特性的试验研究
• 1.3.4 基于均匀设计和统计建模的压捆过程优化试验研究
• 2 草物料压捆试验台的设计
• 2.1 试验台总体设计
• 2.2 压捆室的结构设计
• 2.2.1 可调截面的设计
• 2.2.2 压捆室长度的设计
• 2.2.3 压捆室支脚的设计
• 2.3 电控装置
• 2.4 数据采集分析系统的设计
• 2.4.1 硬件设计
• 2.4.2 软件设计
• 2.4.3 传感器的标定
• 2.5 小结
• 3 草物料直接压缩过程流变动力学研究
• 3.1 试验方案
• 3.1.1 传感器的选择和测试方案
• 3.1.2 试验物料的确定
• 3.1.3 传感器的安装
• 3.1.4 压缩室截面形状尺寸的选择
• 3.1.5 试验方法
• 3.2 直接压缩过程中草物料的力学性能
• 3.2.1 草物料直接压缩过程中的力信号和位移信号
• 3.2.2 草物料直接压缩过程中的应力-应变关系
• 3.3 不同截面下压缩力与位移、密度比的关系
• 3.4 不同截面下压缩草物料对功耗的影响
• 3.5 不同截面下直接压缩后草片的应力松弛
• 3.5.1 草物料应变条件下的应力响应
• 3.5.2 直接压缩后草物料应力松弛曲线
• 3.5.3 草物料直接压缩过程中模型转变分析
• 3.5.4 直接压缩后草物料应力松弛模型的建立
• 3.6 小结
• 4 草片移动过程过程中流变动力学特性试验研究
• 4.1 试验方案
• 4.1.1 传感器的选择和测试方案
• 4.1.2 传感器的安装
• 4.1.3 试验方法
• 4.2 移动过程中的草片的应力-应变关系
• 4.3 不同截面下轴向力沿压捆室长度的内分布规律
• 4.4 不同截面下草片在压捆室内密度分布规律
• 4.5 草片移动过程中摩擦力和侧压力沿压捆室长度的分布规律
• 4.5.1 草片在压捆室长度上的摩擦力分布规律
• 4.5.2 草片移动过程中压捆室壁的最大侧压力分布规律
• 4.6 草片移动过程中轴向最大压缩力的理论分析
• 4.6.1 轴向最大压缩力和侧压力的关系
• 4.6.2 草片移动过程中轴向最大压缩力的理论分析
• 4.7 小结
• 5 基于均匀设计和统计建模的压捆过程优化试验研究
• 5.1 试验方案
• 5.1.1 试验物料和试验装置
• 5.1.2 传感器的选择与安装
• 5.1.3 试验方法
• 5.1.4 均匀设计
• 5.2 数据处理与分析计算
• 5.2.1 原始数据的预处理
• 5.2.2 数据的分析计算
• 5.3 统计建模
• 5.3.1 统计建模方法
• 5.3.2 偏最小二乘回归
• 5.3.3 偏最小二乘回归法的数学模型
• 5.3.4 结果分析与优化
• 5.3.5 模型模拟分析
• 5.4 小结
• 6 结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 存在的问题与建议
• 致谢
• 参考文献
• 作者简介