水田土壤承压特性测量方法与装置研究
发布时间：2021-08-09 05:00
水田面积占我国耕地面积的26%,复杂的水田土壤环境给现有田间作业机械的工作带来极大的挑战。目前,我国针对水田土壤承压特性测量方法的研究还存在一些不足,现有的土壤承压特性测量装置存在设计复杂、数据采集误差大、适用性较差等一系列问题,在室外水田工况下测量容易发生沉陷现象。因此,有必要对水田土壤承压特性测量方法和测量装置进行深入研究。本文针对水田土壤承压特性测量方法进行了水田土壤承压模型建立、承压测板与水田土壤的作用机理分析、测量装置总体设计和田间试验研究。主要工作内容如下:（1）针对较少研究的水田土壤工况,建立了基于SPH法承压测板-水田土壤数值模型。选取武汉黄棕壤水田土壤为样本土壤,并测量了其力学特性参数,构建分层水田土壤模型并进行赋值,参考样本土壤的泥脚深度对比分析,仿真计算得出面积为S=9.95cm2的承压测板能够稳定的测量样本土壤承压特性,验证了仿真模型准确性,为后面的承压测板与水田土壤的作用机理的分析奠定了基础。（2）根据承压测板-水田土壤数值仿真模型计算结果,分析承压测板与水田土壤的作用机理,在不改变承压测板的面积基础上,修改其形状参数,建立仿真模型,在相...
【文章来源】：湖北工业大学湖北省
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【图文】：
技术路线图
9没土壤问题的建模，还提出了一种通用的SPH公式，可直接应用于干土和饱和土，通过两种数值对比分析得出改进SPH方法可作为饱和土SPH进一步发展的基本方法。2016年，胡嫚等46]结合GIS系统基于SPH方法模拟滑坡失稳后岩土材料的特性，并与实例现场收集数据对比，得出该方法应用于滑坡运动过程分析较为精确。2017年，Niroumand等47]光滑颗粒流体力学能够很好模拟岩石和土壤的耦合问题，在研究岩土变形和破坏的问题上，方法相对简单，效果好。2019年，李世杰等48]提出了一种基于SPH原理结合孔隙水信息的土壤流固耦合数值计算建模方法，研究分析水射流冲击土壤的问题，对冲击效果实验与数值模型计算结果比较发现，该数值模型具有一定的有效性。综上所述，SPH方法是将连续介质体视为离散的Lagrange粒子，同时在仿真过程中得每个参与运算的数值都是由周围一组粒子累加起来的，通过计算粒子的运动轨迹建立动力学方程。由于水田土壤是一种不连续和非均质的材料，采用传统的网格划分土壤方法，承压测板贯入过程中会出现网格变形或一起运动等问题，导致网格畸变。而SPH方法是一种无网格建模法，其计算精度高，用于模拟水田土壤可能具有良好的适用性。2.1.2SPH方法近似函数SPH法需构造一个表示粒子运动状态的函数，通过构造适合的核函数，可近似等效替代狄拉克函数49]，从而将任意函数表示为积分形式，该方法为SPH法核近似原理，如图2-1所示。图2.1SPH法核近似原理SPH算法中，根据核近似的理论基础，设任意函数f(x)的积分表达式由式(2-1)定义：
11搜索时，在每个粒子的作用范围的支持域内，支持域由光滑长度h及光滑因子κ决定，支持域半径为κh，其中粒子总数为n个，每两个粒子间距离比较需要进行n-1次,当这一区域内的每个粒子需要分别进行距离比较，总次数多达n(n-1)次。因此粒子总数越多，粒子间的比较次数增多，计算所需时间也加长，计算效率大大降低。由于在每个时间步长内粒子的运动位置发生改变，决定计算时长的关键在于找出每个时间步长内哪些粒子会发生相互作用，即又快又准确地找到每个时间步长内邻域粒子集合。采用接触搜索算法中的bucket分类法作为邻域粒子搜索的方法，如图2.2所示。该方法先将计算区域划分为一系列子域，然后每个粒子只需搜索主域及与之相邻的子域内的粒子，这样降低了寻找次数，从而减少了邻域搜索占据的CPU时长，进一步缩短仿真时间耗时。图2.2bucket分类和邻域搜索2.1.4光滑长度在SPH方法中，光滑长度h和光滑因子κ是核函数的重要变量，光滑长度h的取值会直接影响到求解数值模型的计算效率和精度。若采用固定的光滑长度h，粒子分布均匀，当材料压缩时，会有大量粒子处于直径为2κh的球形支持域中，
【参考文献】：
期刊论文
[1]产量及面积视角的中国水稻生产变动[J]. 黄欣乐,郑百龙. 江苏农业科学. 2020(02)
[2]长江中游稻区水稻产业发展现状、问题与建议[J]. 赵正洪,戴力,黄见良,潘晓华,游艾青,赵全志,陈光辉,周政,胡文彬,纪龙. 中国水稻科学. 2019(06)
[3]一种基于RBF代理模型的土壤承压特性拟合方法[J]. 冯文选,马吉胜,何健,吴大林. 计算机仿真. 2019(09)
[4]中国种植业专业化发展的时空格局研究[J]. 王武林,余翠婵,税伟,吴聘奇,王前锋. 地理研究. 2019(05)
[5]基于SPH算法土壤水射流冲击演化数值仿真研究[J]. 李世杰,王艾伦,刘向军,邓桂龙. 计算机仿真. 2019(03)
[6]3GY-1920型宽幅水田中耕除草机的设计与试验[J]. 齐龙,赵柳霖,马旭,崔宏伟,郑文汉,芦玉龙. 农业工程学报. 2017(08)
[7]地面力学参数综合测试系统设计与试验[J]. 汪伟,赵家丰,沈晨晖,张晓良. 农业机械学报. 2017(05)
[8]1980年以来中国大宗作物空间格局变化分析[J]. 徐慧,汪权方,李家永,张景雄,孙佩. 长江流域资源与环境. 2017(01)
[9]均质土壤承压下陷模型改进及验证[J]. 赵家丰,汪伟,孙中兴,苏续军. 农业工程学报. 2016(21)
[10]基于弹塑性土体本构模型的滑坡运动过程SPH模拟[J]. 胡嫚,谢谟文,王立伟. 岩土工程学报. 2016(01)
博士论文
[1]物体与自由液面耦合作用的光滑粒子流体动力学方法研究[D]. 孙鹏楠.哈尔滨工程大学 2018
硕士论文
[1]水田履带轮式施药机设计与底盘试验[D]. 陶春鸣.江苏大学 2019
[2]水田土壤承载特性与物理参数相关性研究[D]. 曹明.浙江大学 2019
本文编号：3331416
【文章来源】：湖北工业大学湖北省
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【图文】：
技术路线图
9没土壤问题的建模，还提出了一种通用的SPH公式，可直接应用于干土和饱和土，通过两种数值对比分析得出改进SPH方法可作为饱和土SPH进一步发展的基本方法。2016年，胡嫚等46]结合GIS系统基于SPH方法模拟滑坡失稳后岩土材料的特性，并与实例现场收集数据对比，得出该方法应用于滑坡运动过程分析较为精确。2017年，Niroumand等47]光滑颗粒流体力学能够很好模拟岩石和土壤的耦合问题，在研究岩土变形和破坏的问题上，方法相对简单，效果好。2019年，李世杰等48]提出了一种基于SPH原理结合孔隙水信息的土壤流固耦合数值计算建模方法，研究分析水射流冲击土壤的问题，对冲击效果实验与数值模型计算结果比较发现，该数值模型具有一定的有效性。综上所述，SPH方法是将连续介质体视为离散的Lagrange粒子，同时在仿真过程中得每个参与运算的数值都是由周围一组粒子累加起来的，通过计算粒子的运动轨迹建立动力学方程。由于水田土壤是一种不连续和非均质的材料，采用传统的网格划分土壤方法，承压测板贯入过程中会出现网格变形或一起运动等问题，导致网格畸变。而SPH方法是一种无网格建模法，其计算精度高，用于模拟水田土壤可能具有良好的适用性。2.1.2SPH方法近似函数SPH法需构造一个表示粒子运动状态的函数，通过构造适合的核函数，可近似等效替代狄拉克函数49]，从而将任意函数表示为积分形式，该方法为SPH法核近似原理，如图2-1所示。图2.1SPH法核近似原理SPH算法中，根据核近似的理论基础，设任意函数f(x)的积分表达式由式(2-1)定义：
11搜索时，在每个粒子的作用范围的支持域内，支持域由光滑长度h及光滑因子κ决定，支持域半径为κh，其中粒子总数为n个，每两个粒子间距离比较需要进行n-1次,当这一区域内的每个粒子需要分别进行距离比较，总次数多达n(n-1)次。因此粒子总数越多，粒子间的比较次数增多，计算所需时间也加长，计算效率大大降低。由于在每个时间步长内粒子的运动位置发生改变，决定计算时长的关键在于找出每个时间步长内哪些粒子会发生相互作用，即又快又准确地找到每个时间步长内邻域粒子集合。采用接触搜索算法中的bucket分类法作为邻域粒子搜索的方法，如图2.2所示。该方法先将计算区域划分为一系列子域，然后每个粒子只需搜索主域及与之相邻的子域内的粒子，这样降低了寻找次数，从而减少了邻域搜索占据的CPU时长，进一步缩短仿真时间耗时。图2.2bucket分类和邻域搜索2.1.4光滑长度在SPH方法中，光滑长度h和光滑因子κ是核函数的重要变量，光滑长度h的取值会直接影响到求解数值模型的计算效率和精度。若采用固定的光滑长度h，粒子分布均匀，当材料压缩时，会有大量粒子处于直径为2κh的球形支持域中，
【参考文献】：
期刊论文
[1]产量及面积视角的中国水稻生产变动[J]. 黄欣乐,郑百龙. 江苏农业科学. 2020(02)
[2]长江中游稻区水稻产业发展现状、问题与建议[J]. 赵正洪,戴力,黄见良,潘晓华,游艾青,赵全志,陈光辉,周政,胡文彬,纪龙. 中国水稻科学. 2019(06)
[3]一种基于RBF代理模型的土壤承压特性拟合方法[J]. 冯文选,马吉胜,何健,吴大林. 计算机仿真. 2019(09)
[4]中国种植业专业化发展的时空格局研究[J]. 王武林,余翠婵,税伟,吴聘奇,王前锋. 地理研究. 2019(05)
[5]基于SPH算法土壤水射流冲击演化数值仿真研究[J]. 李世杰,王艾伦,刘向军,邓桂龙. 计算机仿真. 2019(03)
[6]3GY-1920型宽幅水田中耕除草机的设计与试验[J]. 齐龙,赵柳霖,马旭,崔宏伟,郑文汉,芦玉龙. 农业工程学报. 2017(08)
[7]地面力学参数综合测试系统设计与试验[J]. 汪伟,赵家丰,沈晨晖,张晓良. 农业机械学报. 2017(05)
[8]1980年以来中国大宗作物空间格局变化分析[J]. 徐慧,汪权方,李家永,张景雄,孙佩. 长江流域资源与环境. 2017(01)
[9]均质土壤承压下陷模型改进及验证[J]. 赵家丰,汪伟,孙中兴,苏续军. 农业工程学报. 2016(21)
[10]基于弹塑性土体本构模型的滑坡运动过程SPH模拟[J]. 胡嫚,谢谟文,王立伟. 岩土工程学报. 2016(01)
博士论文
[1]物体与自由液面耦合作用的光滑粒子流体动力学方法研究[D]. 孙鹏楠.哈尔滨工程大学 2018
硕士论文
[1]水田履带轮式施药机设计与底盘试验[D]. 陶春鸣.江苏大学 2019
[2]水田土壤承载特性与物理参数相关性研究[D]. 曹明.浙江大学 2019
本文编号：3331416
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