基于离散元法的芯铧式开沟器优化设计与试验研究

发布时间：2017-04-11 11:03

  本文关键词：基于离散元法的芯铧式开沟器优化设计与试验研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：开沟器是播种机械的重要工作部件，其性能好坏直接影响种沟的形成及种子入土的位置，对种子的发芽成长具有十分重要的影响。芯铧式开沟器结构简单、沟底平整、入土性能较好，且对播种前整地要求不高，特别是在东北垄作地区，仍被广泛使用。但该开沟器在玉米穴播及大豆条播作业过程中，，其开沟宽度大，保墒效果差且对土壤的侧向推移较大，不适合高速播种。优化和改善芯铧式开沟器的结构参数可以使之更加符合农艺要求，让种子均匀分布在种沟内且落在湿土上。开沟器的工作过程是工作部件与土壤间的相互运动，过程十分复杂，但最终都可以归结为土壤颗粒的流动过程。因此，用离散元法仿真土壤与开沟器间的相互作用是一种比较接近实际情况的方法。 本文以开沟器与土壤为研究对象，通过土壤三轴仪、直剪仪、土壤筛、烘箱、电子天平、土壤硬度仪等设备对耕层土壤颗粒的物理力学特性参数进行了测定，探索了基于土壤离散元模型参数的确定方法及耕层土壤颗粒的离散元模型的研究；通过对比传统的芯铧式开沟器离散元仿真与土槽实验的结果，修正了土壤颗粒离散元模型。基于此土壤颗粒离散元仿真模型对芯铧式开沟器结构参数进行了优化设计，并得到了芯铧式开沟器的最优的参数组合。在仿真结果的基础上，基于均匀设计方法设计了一系列芯铧式开沟器，并通过土槽及田间试验对新的芯铧式开沟器进行结构参数的优化，得到了适合吉林省中部地区土壤的芯铧式开沟器的结构参数，为芯铧式开沟器的优化设计提供了依据。具体研究内容如下： 1、探讨了利用离散元法进行土壤耕作部件研究的可行性，对土壤颗粒离散元模型参数的确定方法及土壤颗粒接触模型进行了研究。测定了耕层土壤颗粒的物理力学性能参数，它包括土壤的质地、土壤颗粒形状、土壤含水率、土壤密度、摩擦系数、刚度系数、剪切模量、泊松比等。为建立了土壤颗粒的离散元模型及开沟器的离散元仿真分析参数的选择提供依据。 2、确定了芯铧式开沟器仿真分析的试验方案，并对传统的开沟器离散元仿真分析，得到了开沟器工作阻力及与土壤间相互运动情况。 3、制作了小型玻璃土槽，结合高速摄像技术对芯铧式开沟器的工作过程进行了台架实验研究。对开沟器的工作阻力及开沟器与土壤颗粒间的相互运动情况进行测定与记录。通过实验与仿真数据的对比，修正了土壤颗粒的离散元仿真模型。 4、通过对传统芯铧式开沟器的结构参数分析，确定了优化方案，并建立一系列新型芯铧式开沟器模型。利用修正后的土壤离散元仿真模型进行了开沟器仿真分析，得出新型芯铧式开沟器的最优结构参数组合。 5、以仿真结果最优的开沟器结构参数组合为基础，按照均匀设计的试验方案选取参数，设计一组新型的开沟器。通过分析土槽和田间实验的结果，验证仿真分析的准确性，为开沟器的设计提供了一种新的数字化设计方法。
【关键词】：芯铧式开沟器 离散元 参数确定 优化设计 仿真分析
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S223.2
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-21
• 1.1 课题研究的目的和意义11
• 1.2 国内外研究现状及发展动态11-13
• 1.2.1 国外研究现状及发展动态11-12
• 1.2.2 国内研究现状及发展动态12-13
• 1.3 开沟器的类型及特点13-17
• 1.4 离散元法及在土壤动力学中的应用17-18
• 1.4.1 离散元法简介17
• 1.4.2 离散元法在土壤动力学中的应用17-18
• 1.5 论文的主要研究内容、目标和方法18-21
• 1.5.1 研究内容18
• 1.5.2 研究目标18-19
• 1.5.3 研究方法19-21
• 第2章 土壤参数测定及分析21-33
• 2.1 土壤参数的测定21-31
• 2.1.1 土壤物理参数的测定21-25
• 2.1.2 土壤力学参数的测定25-31
• 2.2 小结31-33
• 第3章 芯铧式开沟器工作过程离散元法仿真分析33-39
• 3.1 芯铧式开沟器仿真试验方案的确定33
• 3.2 离散元模型的建立及参数选择33-36
• 3.2.1 土壤颗粒离散元模型的建立33-34
• 3.2.2 边界及开沟器离散元模型的建立34
• 3.2.3 接触模型的确定34-35
• 3.2.4 模型参数的确定35-36
• 3.3 芯铧式开沟器工作过程的仿真分析36-38
• 3.3.1 计算时步的确定36
• 3.3.2 土壤颗粒工厂生成方案36-37
• 3.3.3 芯铧式开沟器工作过程的仿真结果及分析37-38
• 3.4 小结38-39
• 第4章 芯铧式开沟器小型玻璃土槽试验39-55
• 4.1 试验装置39-45
• 4.1.1 土槽实验台的结构设计39-41
• 4.1.2 土槽实验台的测试及控制系统的设计41-45
• 4.2 芯铧式开沟器试验方案确定45-53
• 4.2.1 试验方法45-46
• 4.2.2 试验条件及设备46
• 4.2.3 试验与测试结果分析46-53
• 4.3 小结53-55
• 第5章 芯铧式开沟器离散元仿真模型参数修正55-61
• 5.1 仿真结果与试验台试验结果对比分析55-56
• 5.1.1 工作阻力对比分析55-56
• 5.1.2 工作时土壤颗粒运动对比分析56
• 5.2 离散元仿真模型参数的修正56
• 5.3 基于离散元模型参数修正的仿真试验56-60
• 5.3.1 仿真试验方案56-57
• 5.3.2 仿真结果及分析57-60
• 5.4 小结60-61
• 第6章 基于离散元法芯铧式开沟器的优化设计61-65
• 6.1 参数的确定61
• 6.2 芯铧式开沟器的优化设计61-63
• 6.3 仿真分析63-64
• 6.4 小结64-65
• 第7章 基于实物试验的新芯铧式开沟器的优化设计65-77
• 7.1 试验方案65-66
• 7.2 试验装置66-68
• 7.2.1 新开沟器的制作装置66-67
• 7.2.2 新开沟器玻璃土槽实验装置67-68
• 7.2.3 沟形测绘装置68
• 7.3 土槽试验68-69
• 7.3.1 试验方法69
• 7.3.2 试验条件及设备69
• 7.4 试验结果与分析69-75
• 7.4.1 开沟器工作阻力与开沟器牵引比能耗测定70-73
• 7.4.2 土壤颗粒运动情况的测定73-75
• 7.5 小结75-77
• 第8章 芯铧式开沟器的田间试验77-83
• 8.1 试验方案77
• 8.2 试验装置77-80
• 8.3 田间试验80
• 8.4 试验结果与分析80-82
• 8.4.1 芯铧式开沟器田间试验阻力及分析80-81
• 8.4.2 芯铧式开沟器牵引比能耗分析81-82
• 8.5 结论82-83
• 第9章 总结与展望83-85
• 9.1 全文总结83-84
• 9.2 研究展望84-85
• 参考文献85-91
• 作者简介及科研成果91-92
• 致谢92

【参考文献】

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1 沈辉;吉爱红;颜化冰;黄卫清;戴振东;;一种二维力/扭矩传感器的设计[J];传感器与微系统;2006年01期

2 王俊;张伏;毛鹏军;雷龙;;基于虚拟仪器技术的六分力测试系统设计[J];传感器与微系统;2008年12期

3 于慧春,刘俊峰,冯晓静,杨欣,封莉;双圆盘开沟器开沟沟形的计算机模拟分析[J];河北农业大学学报;2004年01期

4 刘军;徐海波;卓慧英;;土的直剪试验影响因素分析[J];工程勘察;2010年S1期

5 王继山;;免耕播种机开沟器的适应性分析[J];中国农机化;2007年04期

6 田斌;吴建民;胡靖明;王志海;王东生;;新型免耕农业机械试验土槽的设计[J];甘肃农业大学学报;2006年01期

7 马瑞峻,区颖刚,张亚莉,李伯祥;自制八角环传感器的步骤及要点[J];广东农机;2001年04期

8 王庆杰;姚宗路;高焕文;李洪文;王晓燕;;楔刀型免耕开沟器设计与试验[J];机械工程学报;2008年09期

9 张雷;郭子如;丁以斌;;高速摄像在火焰传播研究中的应用[J];煤矿爆破;2007年03期

10 王静;廖庆喜;田波平;廖宜涛;吴福通;;高速摄像技术在我国农业机械领域的应用[J];农机化研究;2007年01期

  本文关键词：基于离散元法的芯铧式开沟器优化设计与试验研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：298937