面向机器人采摘的荔枝果梗力学特性

为了给荔枝采摘机器人夹持与切割器的设计和控制提供依据,对荔枝果梗分别进行了切割性能和夹持性能的影响因素试验以及弯曲试验。试验结果表明:峰值切割力和切割强度随着切割速度增加而减小,随着切割角度的减少而减少,凹刃和凸刃的峰值切割力和切割强度都比平刃小;除果梗直径因素外对峰值切割力和切割强度影响显著的因素均依次为切割角度、刃口形式和切割速度;切割角度每减少1,峰值切割力和切割强度分别减少4.45N和0.16MPa;相比平刃的峰值切割力和切割强度,凸刃分别减少166.90N和2.11MPa,而凹刃分别减少167.39N和4.21MPa。随着夹持力增加,荔枝果梗与夹持物间摩擦力增加,夹持物为橡胶时,摩擦力最大,夹持力对摩擦力的影响大于夹持材料;试验范围内,最大摩擦力为44.54N。荔枝果梗具有较强的抵抗变形的能力,平均弹性模量为867.15MPa;试验范围内,最大弯曲力的平均值为118.95N,抗弯强度的平均值为56.03MPa。该研究为荔枝采摘机器人的夹持与切割机构的优化设计和控制提供了理论依据。     

液压驱动仿生多足机器人单腿设计与试验

为研究液压驱动多足机器人动态步态下足端与地面高速接触对机器人系统的影响及实现稳定控制,该文设计了液压驱动多足机器人单腿并进行了动态跳跃试验。根据生物学家对大型犬后腿结构仿生和运动仿生的研究成果设计多足机器人单腿机械结构参数和执行器参数:确定大小腿长度为0.35 m、髋关节角度范围为[-50°,70°],膝关节角度范围为[-140°,-20°];液压缸活塞直径为0.02 m、活塞杆直径为0.01 m,活塞杆行程为0.1 m。根据单腿竖直跳跃动态仿真试验,确定了在液压系统压力16 MPa下系统平均流量为5.6×10-5 m3/s,最后完成了机器人单腿样机机械加工并进行了动态跳跃试验,验证了机器人单腿机械结构和液压缸参数设计的合理性。该研究可为液压驱动仿生多足机器人单腿设计提供参考。     

考虑流固耦合的厚壁输水管水锤和振动特性分析

厚壁管对瞬变流具有很高的抗风险能力,在输水系统中得到了广泛的应用。为了研究厚壁管中流固耦合现象,该研究考虑轴向应力的缓冲效应,基于薄壁管流固耦合分析模型（薄壁模型）,建立并提出了适用于厚壁管流固耦合一维模型（厚壁模型）。采用有限体积法对模型求解,压力振荡数值结果与已有的试验结果峰值相对误差低于4.5%,说明厚壁模型是可靠的。在此基础上,从压力振荡、波速及管道振动角度比较了两模型差异：薄壁模型和厚壁模型模拟波速与试验结果相对误差分别为4.6%和1.3%;相对薄壁模型结果,厚壁管模型显示压力振荡周期和幅值均增大,流体模态频率减小了0.24 Hz,结构模态频率增大了0.38 Hz。此外,当输水管道厚径比<0.05,厚壁模型仍具有一定可靠性。该模型扩展和改进了常用薄壁模型,使其同时适用于厚壁管及薄壁管流固耦合分析。     

流固耦合作用对筒装料管道车水力输送内部流场特性的影响

为了进一步分析流固耦合作用对筒装料管道水力输送内部流场特性的影响,采用商用ANSYS Fluent 12.0软件对管道流体域与管道车固体域进行联合求解,并将耦合计算的模拟值与试验值进行对比。管道流体域非稳态计算采用雷诺时均动量方程和RNG k-ε湍流模型,管道车固体域瞬时速度与位移的耦合计算采用结构动力学方程。结果表明:模拟值与试验值基本吻合,且管道车运移时瞬时速度、脉动压强、流速分布以及压强分布的最大相对误差分别不超过1.43%、3.16%、5.28%和1.64%,得到采用流固耦合方法求解筒装料管道水力输送的内部流场特性是可行的;随着径长比的增加,管道车车前近壁面区域的轴向流速、径向流速与压强的影响范围增大,涡量幅值的影响范围减小,周向流速的影响范围呈先减小后增大;管道车下游流场的能量耗散与能量转化共同引起了管道车车前近壁面区域出现了低压区,而能量转化使得管道车下游流场的压强又再次回升;管道车的时均压降系数随着径长比的增加呈先减小后增大,且径长比为0.7的管道车时均压降系数最小。该文的研究将为管道车的结构设计与动力学机理分析提供理论参考。     

基于流固耦合的船用离心泵转子应力应变及模态研究

为研究流固耦合作用对船用离心泵转子应力应变及模态的影响,该文以125clla-13型船用离心泵为研究对象,分别进行了非耦合和双向耦合瞬态非定常数值模拟,基于计算结果,对比了2种计算方式下最后一个旋转周期扬程的变化情况,重点分析了不同瞬态相位下单向和双向耦合方式对叶轮应力应变的影响,并在此基础上对基于流固耦合的转子模态进行了多相位分析。研究结果表明,各瞬态相位下双向耦合扬程预测值均比非耦合大,且双向耦合下波峰附近扬程预测值有局部波动;叶轮最大变形量位于后盖板上的流道出口边中间位置附近,最大应力值出现在叶轮出口后盖板与叶片背面交接处,各相位下双向耦合最大变形量和最大等效应力均大于单向耦合,流固耦合方式对叶轮应力应变有一定影响;叶轮最大变形量和最大等效应力位置及大小随瞬态相位变化而变化,叶轮流道中间区域扫过隔舌时,最大变形量出现极小值,且2种耦合方式下最大变形量位置变化不同,当叶片处在蜗壳第八断面附近区域时,最大等效应力出现极大值,2种耦合方式间最大变形量和最大等效应力的最大差值均出现在6°相位下,分别为0.17×10-5 m和0.296 MPa;流固耦合方式对转子模态的影响极小,瞬态相位不同,转子模态频率及振幅均出现一定幅度的脉动,最大频率脉动为0.9 Hz,最大振幅脉动为1.62 mm,均出现在第5阶模态处。该研究可为船用离心泵减振设计及结构优化提供参考。     

四足激光除草机器人腿部结构参数优化

电驱四足激光除草机器人的续航能力取决于其电池容量和自身功耗,为了提高其续航能力,降低其目标轨迹下的驱动力矩将具有重要意义。该文以四足激光除草机器人为研究对象,提出一种动力学尺度综合方法,将其腿部尺寸参数作为优化设计目的,在给定的目标轨迹上,针对腿部关节驱动力矩进行优化,最终得到一组最优腿部杆长,使其完成目标轨迹的驱动力矩和功耗最小。以四足机器人腿部关节驱动力矩最大值最小作为优化目标,腿部尺寸参数作为约束变量,利用粒子群算法和理想点法进行二次优化,将多目标优化问题转化为单目标优化问题,得到一组最优杆长。计算结果表明:经过尺度综合后的四足机器人动力学性能得到明显改善,优化后单腿的大腿关节驱动力矩峰值下降5.29%,小腿关节驱动力矩峰值下降18.05%,验证了该尺度综合方法的有效性。该文提出的动力学尺度综合方法可为四足类机器人的设计提供参考依据。     

3D打印浓缩风能装置用于风洞试验安全性分析

通过3D打印技术可以方便快捷地制作出浓缩风能装置风洞试验模型,但必须对其安全性进行分析。该文采用流固耦合分析方法,对利用3D打印技术按1:4.5的比例制作的浓缩风能装置模型用于风洞试验的安全性进行分析。首先通过计算流体力学软件对流体场进行网格无关性分析,然后对流体场进行仿真模拟,得出了浓缩风能装置模型在风洞中的风速分布,其结果表明,浓缩风能装置叶轮安装平面6点风速平均值为流场入口风速的1.40倍,该倍率与参考文献中的实际测量平均倍率1.38倍非常接近,这说明按1:4.5的比例制作的浓缩风能装置模型用于该文所述尺寸风洞按该文中的设置进行模拟计算是正确的。然后将该模型表面风压分布作为载荷加载到此模型上,得到该模型在风洞中所受最大应力为3.5385 MPa,远小于所选3D打印材料的拉伸强度40.2 MPa和弯曲强度67.8 MPa,且最大偏移量仅为1.8675 mm,因此采用文中所选3D打印材料通过3D打印技术制作风洞试验模型是安全的。     

植物根系特征与根区土壤水分高通量监测管道机器人研制

研究水分胁迫下的根系特征对于节水农业的发展具有重大意义。针对现有根系观测与土壤水分监测方法难以满足野外条件下根系和根区水分的同步、原位、高通量监测的不足,该研究研制了一种基于STM32芯片的管道机器人系统。系统由管道机器人、数据基站与PVC透明管道组成,通过在土壤中埋设管道机器人系统,控制机器人搭载的微距相机与土壤水分传感器在巡航时拍摄根系图像,并获取土壤水分数据。由根系图像识别分割与提取程序对图像进行畸变校正与根系识别,获取管道方向上植株的根系面积、长度与密度等特征参数。实验室条件下进行相机拍摄效果、图像畸变校正、识别与分割误差及里程轮测距误差测试,以及土壤水分传感器标定试验。测试结果表明：1)管道机器人能够清晰地拍摄到根系图像,图像畸变校正效果较好,单个像素点长度和面积分别为44μm和0.002 mm²,单张根系图像的拍摄范围为14.17 mm×10.60 mm;2)土壤水分传感器输出电压与土壤体积含水率之间呈现良好线性关系,决定系数R²为0.990;3)自主巡航定位准确度较高,平均相对误差为1.47%。在田间条件下进行的根系生长动态监测...     

有机玻璃材料的浓缩风能装置流固耦合分析

用于制造浓缩风能装置的材料直接影响浓缩风能型风力发电机的推广及应用。该文通过流固耦合分析方法,对有机玻璃用于制造浓缩风能装置的可能性进行分析。采用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)软件对浓缩风能装置在特定风场下进行仿真模拟,得到了不同温度下浓缩风能装置所处流场的风速和风压分布。将不同温度下的流场计算风压分布结果作为载荷加载到对应温度下的浓缩风能装置上,得到该装置在不同温度下所受最大应力。这些不同温度下的最大应力均远小于有机玻璃在对应温度下的断裂应力,如温度为293.15 K时该装置所受最大应力为1.5378 MPa,而该温度下有机玻璃的断裂应力为71.704 MPa,因此有机玻璃在强度上满足浓缩风能装置要求,可以用于制造浓缩风能装置。当选择泊松比、杨氏模量和断裂应力均随温度发生变化的材料作为流体机械备选材料时,该研究过程可以为其可行性研究提供参考。     

双定子摆动液压马达泄漏与容积效率分析及密封改进

为了详细分析双定子摆动液压马达的泄漏和容积效率,获得合理的间隙密封尺寸和密封结构改进方案,基于双定子摆动液压马达内部结构的分析,归纳出内、外马达的几何排量计算式,分析出该马达的主要泄漏途径。通过建立各泄漏途径的流量数学式,得到马达在不同连接形式下总泄漏量的一般公式。对不同连接形式下马达的容积效率进行了理论计算,针对马达的端面泄漏提出了密封结构改进方案,同时搭建试验台对改进前后的双定子摆动液压马达样机进行了容积效率测试。结果表明,随着马达进出口压差从1 MPa逐渐升高到10 MPa,马达的容积效率随之降低;且在不同的连接方式下,马达的容积效率也不相同,当进出油口压差一定时,外马达单独工作容积效率最高,内、外马达差动工作容积效率最低。如当马达行程时间为3 s,进出油口压差为4 MPa时,马达容积效率最大值约为92%,最小值约为86%。并且对该马达端面密封的改进可使其容积效率在一定程度上有所提高。该研究为双定子摆动液压马达的设计和应用提供参考。     

气力有序抛秧气流场的有限元仿真分析与试验

水稻气力有序抛秧机具有不伤苗等优点,而喷射气流及其控制是这种机型的关键技术,该文应用有限元仿真对抛秧喷射气流场进行了分析.对三种气管结构在三种初始压强作用下的喷射气流区域速度进行了比较,在初始压强为0.8 MPa时,非直线结构气管射流区末端最大气流速度等值线区域比在0.65 MPa和0.5 MPa时小,并且其射流区的气流速度最大点位置在始端偏下方,而在0.65 MPa和0.5 MPa时,气流速度最大点位置仍在射流区域中心线附近.对喷射气流场速度进行了测试,并对初始压强等进行了正交试验,结果表明初始压强为0.65 MPa和0.5 MPa时的抛秧效果比0.8 MPa时要好.试验证明气流场的分布仿真和优化是可行的.     

蔬菜穴盘苗弧形展开式自动取投苗装置设计与试验

针对穴盘苗取投苗装置机械结构较复杂、取投苗易失败等问题,该研究设计了一种蔬菜穴盘苗弧形展开式自动取投苗装置。通过对取投苗作业过程进行分析,提出整排取苗、弧形展开投苗的自动取投苗作业方式,对夹苗组件、导向槽、旋转接苗机构等进行设计,并确定各部件关键参数,搭建PLC自动控制系统,设计执行单元的气动回路方案,并提出匹配延时函数。以辣椒穴盘苗为试验对象,以平均取投苗频率、供气压力、基质平均含水率为试验因素,以取投苗成功率、损伤率为试验指标进行正交试验,并以较优参数组合进行重复验证试验。试验结果表明：平均取投苗频率为90株/min、供气压力为0.4 MPa、基质平均含水率为30%时,取投苗成功率为94.05%,损伤率为1.19%,该研究可为自动取投苗装置的研发提供参考。     

贺兰山3种乔木单根及根土复合体力学特性

为研究和比较贺兰山山杨、青海云杉、油松单根和根土复合体的力学特性,通过单根拉伸、三轴压缩、饱和渗透试验测定了3种乔木单根和根土复合体的力学参数及土水特征曲线。结果表明:3种乔木单根力学特性存在显著差异,且直径对单根的力学特性有显著影响。单根最大拉力与直径成幂函数相关,随直径增大而增大;单根抗拉强度、杨氏模量与直径成对数函数相关,随直径增大而减小。山杨单根平均最大拉力(0.38kN)青海云杉(0.25kN)油松(0.17kN);山杨单根平均抗拉强度(33.39 MPa)青海云杉(27.79MPa)油松(18.45MPa);山杨单根平均杨氏模量(0.17GPa)青海云杉(0.12GPa)油松(0.11GPa)。3种乔木根土复合体的黏聚力、弹性模量存在显著差异,但摩擦角没有显著差异(平均值30.48°)。山杨根土复合体的黏聚力(10.65kPa)青海云杉(8.97kPa)油松(7.13kPa);山杨根土复合体的弹性模量(2.17 MPa)青海云杉(2.52 MPa)油松(4.21 MPa)。3种乔木根土复合体的土水特征曲线、渗透函数曲线都存在极显著差异,山杨根土复合体的渗透能力油松青海云杉。研究结果对于评价山杨、青海云杉、油松稳定边坡能力和建立贺兰山边坡稳定性分析数值模型都具有重要参考价值。     

基于改进4-方程摩擦模型的输水管道水锤压力计算

摩擦耦合是流体与管壁之间相对运动产生粘性摩擦力而形成的边界接触耦合。在流体高频运动的范围内,摩擦耦合的特性变得相对更加复杂,将直接影响管道系统的水锤演化。为了研究在实际管道中水锤的变化情况,本文基于Zielke模型对流固耦合作用(fluid-structure interaction,FSI)4-方程模型(four-equation model,4EM)建立的4-方程摩擦模型(four-equation friction model,4EFM)结合广义不可逆热力学理论(extended irreversible thermodynamics,EIT)进行改进,建立改进4-方程摩擦模型。通过MATLAB软件利用波速调整(wave-speed adjustment,WSA)插值方法的特征线法(method of characteristics,MOC),对新疆生产建设兵团第十三师自压输水管道中的关阀水锤压力进行数值计算,结果表明改进4-方程摩擦模型的计算结果相比4-方程摩擦模型以及其他计算模型与实测值具有更好的一致性,WSA相比其他线性插值方法可以减小插值误差。该改进模型可以应用在计算机中进行长距离重力流输水过程的水锤压力计算。     

Aluminium contamination and other changes of acid soil solution isolated by means of porcelain suction-cups

Comparison was made between the chemical composition of soil solutions isolated by means of a suction method using porcelain cups and by centrifugation. The soil solutions were isolated from three depths of field plots, where the soil (Typic Haplohumod) had been subjected to various pretreatments.
The cups were made of mullite and corundum as shown by X-ray diffraction analysis. The material when powdered had a cation exchange capacity of about 10meq kg⁻¹. Solutions with similar ionic strengths were obtained by the two methods, but the cups were found to release substantial amounts of Al and to adsorb H, Ca, K, Na and organic matter.
After the cups had been placed in the soil for more than 7 months, calculations suggested that the Al activity in cup solutions was controlled by amorphous gibbsite. This amorphous material was probably produced by proton-induced decomposition of part of the cup material. It is concluded that such cups are improper for isolation of soil solution from acid soils.     

Adsorption von Pflanzenschutzmitteln und DOC an Saugkerzen aus Glas und Keramik

Sorption of pesticides and DOC on glass and ceramic suction cups Suction cups are widely used for the sampling of soil solution. Due to sorption and desorption processes the concentration of dissolved substances in the samples may vary considerably depending on the material of the suction cups. In order to minimize these losses, a new glass suction cup was developed. In laboratory studies, aqueous solutions of pesticides and DOC were percolated through both types of suction cups; the concentration of pesticides and DOC in the percolates was examined. The pesticides pendimethaline, terbuthylazine, metolachlor and chlortoluron were tested at concentrations of 2, 20, and 200 μg 1⁻¹. The average losses due to sorption by the suction cups were 10% (1.1—31%) for the ceramic cups and 3.1% (0—11%) for the glass cups. Sorption effects increased with increasing hydrophobicity of the pesticides and decreasing pesticide concentrations. Thus, at a concentration of 2 μg 1⁻¹ ceramic cups sorbed 31% of pendimethaline compared with 7.7% in the case of glass cups. Corresponding tests with soilborne DOC solutions yielded comparable results. Ceramic suction cups adsorbed up to 50% of the DOC input concentration, while glass cups retarded 2.4% on average. These results are especially noteworthy because soilborne dissolved organic substances are effective sorbents and carriers for pesticides. The new type of glass suction cups may help to improve the results of pesticide field studies and, in consequence, the assessment and prediction of the leaching behavior of pesticides.     

Aluminium contamination of acid soil solution isolated by means of porcelain suction cups: a reply to a paper by Hughes & Reynolds (1990) and an interpretation of aluminium release

Possible aluminium contamination of acid soil solutions isolated by use of porous porcelain suction cups (‘P.80 type’) was reported by Raulund-Rasmussen (1989). The aluminium release was explained by a proton-induced dissolution of cup material. Hughes & Reynolds (1990) suggested that the aluminium release and proton consumption could be explained by an ion-exchange reaction. In an attempt to understand the mechanism and thereby also the usefulness of suction cups, laboratory experiments were carried out to define mineralogical and chemical composition, stability under acid conditions, cation exchange capacity, and reactivity under conditions relevant to the field. The cups consisted of mullite and corundum (65% Al₂O₃) as shown by X-ray diffraction analysis. The cation exchange capacity of the cups was too low (0.65 μmol_c per cup) to explain the observed contamination of isolated soil solution. Ground cup material dissolved slowly in acid. Investigations on whole cups showed that aluminium release to acid test solutions depended on the time of exposure. It is concluded that porcelain suction cups may lead to contamination of isolated soil solution depending on: (i) the intake rate, (ii) the rinsing procedure before sampling, and (iii) the composition of the soil solution (pH and aluminium ion activity being important parameters).     

Mikroskalige Variabilität der Bodenlösungschemie - Ergebnisse eines Laborversuchs zum Vergleich von Standard- und Mikro-Saugkerzen

Microscalic variability of soil solution chemistry - results of a laboratory experiment comparing standard - with micro suction cups In a laboratory experiment with an undisturbed soil column, the chemistry of soil solution collected by a standard suction cup (Ø 2 cm) was compared with that of 20 micro suction cups (Ø I mm) installed in the same soil depth. The standard cup showed comparable concentrations of inorganic anions with the soil column leachate, because preferably the main water paths of the soil column were sampled. In contrast, about 30 % of the micro suction cups sample soil compartments that have a different solution chemistry. In these cases the differences between standard and micro suction cups decrease in the order nitrate, chloride, sulfate. Standard suction cups seem to be the right sampling device for the investigation of element fluxes through soil. To get information about plant availability of ions they are inadequate, due to their dimension. Here micro suction cups are more appropriate, because their dimension is comparable to plant roots.     

Sickerwassergewinnung mittels Saugkerzen – eine Literaturstudie

Sampling seepage water with suction cups – a literature study The article presents a literature study concerning the sampling of seepage water with suction cups. It gives a general view about construction and materials of different types of suction cups as well as proposals for the installation and arrangement of sampling equipments. Furthermore the article deals with questions related to the release or the sorption of substances by the cup material. Other problems like the influence of the applied suction on the concentration of the solutants in the seepage water sample and the potential field around the suction cup are discussed.