甘蔗—土壤系统仿真模型的研究

论文摘要

目前国内外对甘蔗收获机械切割系统的研究主要集中在甘蔗切割破坏、切割能量、破头率影响因素试验研究、切割器优化设计和甘蔗切割运动学仿真等方面,关于甘蔗—土壤系统仿真模型的研究未见报道,但甘蔗—土壤系统仿真模型的建立对开展甘蔗切割动力学仿真研究及指导室内甘蔗切割模拟试验有重要意义。研究选取台糖22号甘蔗及其种植的壤土（水稻土）作为研究对象,采用物理试验方法,测得了甘蔗密度,蔗芯、蔗皮的弹性模量和甘蔗茎秆的屈服应力;运用振动衰减法,通过田间振动试验,获得甘蔗和甘蔗—土壤系统的振动加速度曲线,并进行相关分析;采用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA建立甘蔗和甘蔗—土壤系统仿真模型,运用反求技术和正交试验法,以参数初始值为基础,不断修改系统的物理特性参数,进行仿真试验,获取甘蔗—土壤系统仿真振动加速度曲线,并和物理实验测试甘蔗振动加速度曲线对比,获得和实际甘蔗物理特性参数相接近的甘蔗—土壤系统仿真模型的系统参数;根据仿真模型提供的系统参数,选择海绵橡胶板和海绵橡胶带来分别模拟硬土壤和软土壤对甘蔗的抱紧作用,设计甘蔗抱紧装置并进行物理试验验证。结果表明:蔗皮的密度平均值为1067kg/m3,弹性模量平均为194.07MPa,蔗芯平均为41.75Mpa,甘蔗茎秆的破坏应力平均为15.34Mpa;甘蔗和土壤材料均为塑性随动模型,其中甘蔗参数为密度1067kg/m3,弹性模量1.00E8Pa,泊松比0.4,屈服应力1.50E7Pa,切线模量1.80E5Pa,应变速率（c）100,应变速率（p）10,失效应变率0.01,阻尼2;软土对应参数为1910kg/m3,1.00E6 Pa,0.4,8.00E5 Pa,1.00E5 Pa,41,6,0.8,2.2;硬土对应参数为1850 kg/m3,1.50E6 Pa,0.35,8.50E4 Pa,1.20E5 Pa,38.5,0.7,2;甘蔗以及甘蔗.土壤系统仿真模型可靠,可运用于甘蔗切割动力学仿真研究和指导室内甘蔗切割模拟试验;海绵橡胶材料可用作模拟土壤抱紧甘蔗的材料,抱紧装置可运用于室内甘蔗切割模拟试验。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 研究的目的及意义
• 1.3 农作物秸秆力学特性和土壤力学的研究与发展
• 1.3.1 农作物秸秆力学的研究与发展
• 1.3.2 土壤力学的研究与发展
• 1.4 在仿真技术中运用反求法获取参数
• 1.5 仿真的研究思路
• 1.6 研究内容、研究方法和技术路线
• 1.6.1 研究内容
• 1.6.2 研究方法
• 1.6.3 技术路线
• 1.7 本章小结
• 第二章 甘蔗几何、物理参数的测定
• 2.1 测试目的
• 2.2 甘蔗几何参数的测定
• 2.3 甘蔗弹性模量的测定
• 2.3.1 甘蔗茎秆的材料结构特点
• 2.3.2 弹性模量的测试方法
• 2.3.3 测试结果及分析
• 2.4 甘蔗屈服应力的确定
• 2.4.1 测试目的、材料、设备与方法
• 2.4.2 测试结果及分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 甘蔗及甘蔗—土壤系统的振动测试
• 3.1 甘蔗—土壤系统的振动试验
• 3.1.1 试验目的和方案
• 3.1.2 测试条件和设备
• 3.1.3 振动测试结果及分析
• 3.1.4 土壤硬度的测试与结果分析
• 3.1.5 土壤密度和含水率的测试
• 3.2 甘蔗的振动测试
• 3.3 本章小结
• 第四章 甘蔗仿真模型的确定
• 4.1 ANSYS/LS—DYNA软件简介
• 4.2 甘蔗仿真模型的建立
• 4.2.1 单元选择和材料属性设置
• 4.2.2 实体模型的建立
• 4.2.3 网格划分和接触定义
• 4.2.4 其它设置
• 4.3 仿真及结果分析
• 4.3.1 仿真试验
• 4.3.2 结果分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 甘蔗—土壤体统仿真模型的确定
• 5.1 土壤模型的建立
• 5.1.1 土壤单元、材料属性设置
• 5.1.2 土壤实体模型的建立
• 5.1.3 网格划分、约束和施载
• 5.2 仿真及结果分析
• 5.2.1 仿真试验
• 5.2.2 结果分析
• 5.3 软土和硬土仿真模型的对比分析
• 5.3.1 材料参数对比分析
• 5.3.2 应力对比分析和形变对比分析
• 5.3.3 对比分析结论
• 5.4 本章小结
• 第六章 甘蔗抱紧材料的确定与抱紧装置的设计
• 6.1 甘蔗抱紧材料的确定
• 6.1.1 材料的选择
• 6.1.2 材料测试及结果分析
• 6.2 抱紧装置的设计
• 6.3 材料和抱紧装置的物理验证
• 6.3.1 测试方案
• 6.3.2 软橡胶试验结果及分析
• 6.3.3 硬橡胶试验结果及分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 全文总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表论文情况