农田土壤圆锥指数研究及其测量装置设计

发布时间：2020-05-13 07:42

【摘要】：随着农业机械化程度的不断提高,土壤压实问题越来越严重。圆锥指数作为反映土壤压实的重要指标,寻找其主要影响因素并探究其中的关系具有重要现实意义,此外研发一种便携、高性价比、多功能的精确测量装置对农业生产也十分必要。论文利用离散元数值模拟软件对试验土壤圆锥指数测量过程进行仿真研究,探究贯入速度对圆锥指数测量的影响以及土壤圆锥指数与土壤容重、土壤含水率和贯入深度三个影响因素的关系,对仿真数据拟合分析结果表明,贯入速度在10~50mm/s的范围内相比深度因素对圆锥指数影响较小,在此贯入速度范围内测量可以忽略速度影响;当容重和贯入深度一定时,圆锥指数随土壤含水率的增大呈现先增大后减小的趋势,其最大值出现在含水率10%~15%之间,此规律随着土壤容重增加更加明显;对于一定的容重,含水率不同的土壤,随着贯入深度增大圆锥指数随之增大,增大趋势可以用增长率逐渐减小的二次曲线拟合,并且容重为1.4g·cm~(-3)或1.5g·cm~(-3)时,圆锥指数随深度增大增长平缓,容重为1.6g·cm~(-3)时,圆锥指数随深度增大增长明显,后者的平均增长率约是前者的5~6倍。搭建试验平台对仿真所得结果进行试验验证,试验结果与仿真所得结果基本一致,建立了圆锥指数关于含水率、容重和贯入深度的多元二次回归方程;试验结果还表明,JKR接触模型相比默认的Hertz-Mindlin(no slip)模型能够更好的模拟试验土壤颗粒间的接触。综合研究成果和ASAE标准完成土壤圆锥指数仪硬件设计、软件设计、结构设计、系统测试以及样机田间试验。根据使用要求,在硬件方面设计了以STM32为主控制器,结合拉压力传感器,激光测距模块、温度传感器、SD卡存储模块等多外设完成圆锥指数仪的数据测量以及数据传输存储等功能。在软件方面基于MDK5集成开发环境、STM32标准外设库和μC/OSⅢ嵌入式操作系统完成应用编程,实现了系统的数据采集与处理,移植图形软件库ST-EMWIN优化人机交互方面的功能,引入文件管理系统实现数据的存储与传输;利用MATLAB软件开发与仪器配套的上位机软件,实现数据的后处理。根据工业设计和使用要求,设计仪器的结构并对主要受力部件进行有限元分析。在现有的实验条件下,完成仪器的测试和田间试验,测量结果表明系统在量程、误差、运行流畅等各种性能指标均能满足设计使用要求。
【图文】：

示意图,贯入阻力,圆锥,土壤

东北农业大学工程硕士学位论文寸的锥头测量土壤圆锥指数，并推导出圆锥指数、土壤容重和土壤6]。实度测量的方法有很多种，，比如容重测量法，孔隙度测量法以及圆锥等。各国标准略有差异，在测量仪器的结构和使用方法上也存在的典型标准。国土壤圆锥指数测定标准（ASAE S313.3 FEB04/ASAE EP542）业工程师协会(ASAE)于 1968 年系统地定义了土壤圆锥指数仪及其准锥头用来测量圆锥指数,标准还定义了圆锥指数（CI，KPa）为锥积的商值（CI=F/S）。图 1-1 为土壤圆锥指数仪示意图。目前，以 3头贯入土壤的土壤圆锥指数测量方法已得到各个国家认可，圆锥指度的重要指标。

示意图,接触模型,颗粒,圆锥指数

量误差值得研究。此外，本章还要进一步研究贯入深度、土壤容重和水分与圆锥指数。近年来一些学者利用离散元法（Discrete Element Method，简称 DEM）对圆锥贯入题进行研究[38]，为圆锥指数测量研究提供了新方法。因此，本章首先基于离散元法仿贯入速度、贯入深度、土壤容重和水分与圆锥指数的关系；搭建试验平台对仿真结论步验证，建立圆锥指数与含水率、容重、贯入深度三者之间关系的多元回归模型。DEM 接触力学模型概述散元方法是从分析离散单元的块间接触入手，找出其接触的结构关系建立接触物理力并根据牛顿第二定律对非连续、离散的单元进行模拟仿真的一种数值分析方法。其中单元之间的接触关系即仿真时接触模型的选取十分重要。入杆插入土壤，挤压土壤颗粒，利用 EDEM 中 Hertz-Mindlin(no slip)接触模型模拟此贯入杆与土壤颗粒、土壤颗粒与土壤颗粒之间的接触。根据文献，由于土壤含水会产之间的粘结，在分析含水率对圆锥指数的影响时，土壤颗粒之间设定为 Hertz-MindlinR Cohesion 接触模型[38-39]。）Hertz-Mindlin(no slip)接触模型ertz-Mindlin 接触模型是研究散体物料贯入阻力应用最广泛的接触模型之一，能够精确的计算部件的受力。颗粒间的接触示意图如图 2-1 所示。
【学位授予单位】：东北农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S237

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