苜蓿地土壤—根系复合体力学特性及机械化耕作机理研究

This stduy fouces on the problem of low Alfalfa yield and qualities since soil is not suitable for farming in Alfalfa production. we choose the Alflafa soil-root composite as the research object, we will use the material mechanics, soil mechanics, composite materials mechanics and plant anatomy to study the mechanical properties of soil-root composite Alfalfa roots and the mechanical properties of Alfalfa roots, and to abtain the regularity of deformation and failure under the action of external force about Alfalfa roots. We will analyzing the relationships between alfalfa roots structure and its mechanical properties and to study the shear strength and stress-strain relationship of soil-root composite, We Intend to proven mechanism of soil-root composite resistance to farming parts cutting action；The survey method and computer modeling techniques will be used to establish structure model and mechanical model of Alfalfa soil-root composite;We also intend to use the agricultural mechanical test method and the finite element analysis method to study the influence of different tillage components on cutting performance of soil-root composite under different conditions, the finite element analysis about relationship between different tillage components and alfalfa field soil-root composite will be made，from this we can proven mechanized farming mechanism based on alfalfa field. Through the above research，we want to promote the Alfalfa soil reclamation machinery research and development, Ensure that alfalfa obtain high and stable yield.

本课题拟针对我国产业化苜蓿生产中，种植期内不易耕作，土壤结构变劣，影响苜蓿产量和品质的问题，选择苜蓿地土壤—根系复合体为研究对象，利用材料力学、土力学、复合材料力学、植物解剖学的有关方法研究苜蓿根系及土壤—根系复合体的力学性能，获取苜蓿根系在外力作用下的变形和破坏规律，分析苜蓿根系组织结构与其力学性能相互关系，研究苜蓿地土壤—根系复合体的抗剪强度、应力—应变关系，意在探明苜蓿根土复合体抵抗耕作部件切削作用机理；利用调查法和计算机建模技术，建立苜蓿地土壤—根系复合体结构模型和力学模型；利用农业机械试验法、有限元分析法，研究不同工况下，不同部件对苜蓿地土壤—根系复合体的切削性能的影响，进行不同耕作部件与苜蓿地土壤—根系复合体相互作用有限元分析，探明基于苜蓿地的机械化耕作机理。以期促进苜蓿地土壤改良机械研发，保证苜蓿高产稳产。

本课题针对我国产业化苜蓿生产中，种植期内不易耕作，土壤结构变劣，影响苜蓿产量和品质的问题，选择苜蓿地土壤—根系复合体为研究对象，利用材料力学、土力学、复合材料力学的有关方法研究了苜蓿根系及土壤—根系复合体的力学性能，获得了苜蓿根系的生物力学特性参数，探明了苜蓿根系直径分别与拉应力和切应力之间的关系，测定得到了苜蓿地土壤颗粒休止角、摩擦角及摩擦系数，模拟采样地含水率与土壤密度，选用不同直径根须制备根土复合体，测量得到不同根系直径的根土复合体的抗剪强度；基于PLAXIS软件，结合机械压实试验，探明了适用于中壤土和砂土两种类型质地苜蓿地土壤的本构关系模型，给出了模型参数的获取方式，并采用锚杆理论，模拟了机械作用条件下土壤—根系复合体应力状态变化及根系与土壤作用关系，通过模拟研究和田间试验，验证了考虑根系作用的Cam-Clay 类型的软土模型和Hardening-Soil model模型分别在模拟中壤土质苜蓿地和砂土质苜蓿地土壤应力状态中的正确性，针对苜蓿地土壤—根系复合体难以机械耕作的问题，设计了4类苜蓿地耕作机械，结合基础试验，最终选取了一种振动式苜蓿地土壤根系破碎机进行了详细设计与试验，该机创新研究出一种自激式振动深松铲，并进行了苜蓿根系的断裂破碎作业及对土壤的深松作业，利用有限元分析法，研究获得了固结土壤随时间改变，土壤—苜蓿根系复合体应力状态改变规律，为苜蓿地土壤耕作方式及耕作时机的选择提供了计算方法和参考依据。整体研究结果对设计相关机器装备的工艺优化、结构方案与参数设计、动力匹配及分配、控制系统的设计、机械效率分析与测定、促进苜蓿地土壤改良机械研发，保证苜蓿高产稳产具有重要的理论和实践意义。