發(fā)布時(shí)間：2020-05-13 07:42

【摘要】：隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度的不斷提高,土壤壓實(shí)問題越來越嚴(yán)重。圓錐指數(shù)作為反映土壤壓實(shí)的重要指標(biāo),尋找其主要影響因素并探究其中的關(guān)系具有重要現(xiàn)實(shí)意義,此外研發(fā)一種便攜、高性價(jià)比、多功能的精確測(cè)量裝置對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也十分必要。論文利用離散元數(shù)值模擬軟件對(duì)試驗(yàn)土壤圓錐指數(shù)測(cè)量過程進(jìn)行仿真研究,探究貫入速度對(duì)圓錐指數(shù)測(cè)量的影響以及土壤圓錐指數(shù)與土壤容重、土壤含水率和貫入深度三個(gè)影響因素的關(guān)系,對(duì)仿真數(shù)據(jù)擬合分析結(jié)果表明,貫入速度在10~50mm/s的范圍內(nèi)相比深度因素對(duì)圓錐指數(shù)影響較小,在此貫入速度范圍內(nèi)測(cè)量可以忽略速度影響;當(dāng)容重和貫入深度一定時(shí),圓錐指數(shù)隨土壤含水率的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),其最大值出現(xiàn)在含水率10%~15%之間,此規(guī)律隨著土壤容重增加更加明顯;對(duì)于一定的容重,含水率不同的土壤,隨著貫入深度增大圓錐指數(shù)隨之增大,增大趨勢(shì)可以用增長(zhǎng)率逐漸減小的二次曲線擬合,并且容重為1.4g·cm~(-3)或1.5g·cm~(-3)時(shí),圓錐指數(shù)隨深度增大增長(zhǎng)平緩,容重為1.6g·cm~(-3)時(shí),圓錐指數(shù)隨深度增大增長(zhǎng)明顯,后者的平均增長(zhǎng)率約是前者的5~6倍。搭建試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)仿真所得結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,試驗(yàn)結(jié)果與仿真所得結(jié)果基本一致,建立了圓錐指數(shù)關(guān)于含水率、容重和貫入深度的多元二次回歸方程;試驗(yàn)結(jié)果還表明,JKR接觸模型相比默認(rèn)的Hertz-Mindlin(no slip)模型能夠更好的模擬試驗(yàn)土壤顆粒間的接觸。綜合研究成果和ASAE標(biāo)準(zhǔn)完成土壤圓錐指數(shù)儀硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)測(cè)試以及樣機(jī)田間試驗(yàn)。根據(jù)使用要求,在硬件方面設(shè)計(jì)了以STM32為主控制器,結(jié)合拉壓力傳感器,激光測(cè)距模塊、溫度傳感器、SD卡存儲(chǔ)模塊等多外設(shè)完成圓錐指數(shù)儀的數(shù)據(jù)測(cè)量以及數(shù)據(jù)傳輸存儲(chǔ)等功能。在軟件方面基于MDK5集成開發(fā)環(huán)境、STM32標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫和μC/OSⅢ嵌入式操作系統(tǒng)完成應(yīng)用編程,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理,移植圖形軟件庫ST-EMWIN優(yōu)化人機(jī)交互方面的功能,引入文件管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與傳輸;利用MATLAB軟件開發(fā)與儀器配套的上位機(jī)軟件,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的后處理。根據(jù)工業(yè)設(shè)計(jì)和使用要求,設(shè)計(jì)儀器的結(jié)構(gòu)并對(duì)主要受力部件進(jìn)行有限元分析。在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件下,完成儀器的測(cè)試和田間試驗(yàn),測(cè)量結(jié)果表明系統(tǒng)在量程、誤差、運(yùn)行流暢等各種性能指標(biāo)均能滿足設(shè)計(jì)使用要求。
【圖文】：

東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文寸的錐頭測(cè)量土壤圓錐指數(shù)，并推導(dǎo)出圓錐指數(shù)、土壤容重和土壤6]。實(shí)度測(cè)量的方法有很多種，，比如容重測(cè)量法，孔隙度測(cè)量法以及圓錐等。各國標(biāo)準(zhǔn)略有差異，在測(cè)量?jī)x器的結(jié)構(gòu)和使用方法上也存在的典型標(biāo)準(zhǔn)。國土壤圓錐指數(shù)測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)（ASAE S313.3 FEB04/ASAE EP542）業(yè)工程師協(xié)會(huì)(ASAE)于 1968 年系統(tǒng)地定義了土壤圓錐指數(shù)儀及其準(zhǔn)錐頭用來測(cè)量圓錐指數(shù),標(biāo)準(zhǔn)還定義了圓錐指數(shù)（CI，KPa）為錐積的商值（CI=F/S）。圖 1-1 為土壤圓錐指數(shù)儀示意圖。目前，以 3頭貫入土壤的土壤圓錐指數(shù)測(cè)量方法已得到各個(gè)國家認(rèn)可，圓錐指度的重要指標(biāo)。

量誤差值得研究。此外，本章還要進(jìn)一步研究貫入深度、土壤容重和水分與圓錐指數(shù)。近年來一些學(xué)者利用離散元法（Discrete Element Method，簡(jiǎn)稱 DEM）對(duì)圓錐貫入題進(jìn)行研究[38]，為圓錐指數(shù)測(cè)量研究提供了新方法。因此，本章首先基于離散元法仿貫入速度、貫入深度、土壤容重和水分與圓錐指數(shù)的關(guān)系；搭建試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)仿真結(jié)論步驗(yàn)證，建立圓錐指數(shù)與含水率、容重、貫入深度三者之間關(guān)系的多元回歸模型。DEM 接觸力學(xué)模型概述散元方法是從分析離散單元的塊間接觸入手，找出其接觸的結(jié)構(gòu)關(guān)系建立接觸物理力并根據(jù)牛頓第二定律對(duì)非連續(xù)、離散的單元進(jìn)行模擬仿真的一種數(shù)值分析方法。其中單元之間的接觸關(guān)系即仿真時(shí)接觸模型的選取十分重要。入桿插入土壤，擠壓土壤顆粒，利用 EDEM 中 Hertz-Mindlin(no slip)接觸模型模擬此貫入桿與土壤顆粒、土壤顆粒與土壤顆粒之間的接觸。根據(jù)文獻(xiàn)，由于土壤含水會(huì)產(chǎn)之間的粘結(jié)，在分析含水率對(duì)圓錐指數(shù)的影響時(shí)，土壤顆粒之間設(shè)定為 Hertz-MindlinR Cohesion 接觸模型[38-39]。）Hertz-Mindlin(no slip)接觸模型ertz-Mindlin 接觸模型是研究散體物料貫入阻力應(yīng)用最廣泛的接觸模型之一，能夠精確的計(jì)算部件的受力。顆粒間的接觸示意圖如圖 2-1 所示。
【學(xué)位授予單位】：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：S237

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本文編號(hào)：2661625