中文摘要：

采用物理试验方法、有限元显式动力学仿真技术、仿生学原理、嵌入禁忌搜索的遗传算法和试验设计方法等，针对广西木薯的种植情况，主要进行以下内容的研究:1)土壤-块根-挖掘铲-拔起机构复杂系统动力学可视化仿真模型的建立；2)松土程度、块根损伤程度、功耗与挖掘铲结构、运动参数的数学模型及其影响规律；挖掘铲参数的综合优化；3)人拔起块根的较优速度模型；块根拔起速度的变化对块根损伤、茎秆拉断的影响规律及机理；不同条件下的机械较优块根拔起速度模型；4)块根收获机构试制及系统参数优化结果的验证。初步形成丘陵地区木薯块根收获机械基础理论及设计方法，推动木薯块根收获机械技术的发展，解决人工收获时，用工量大，劳动强度大，成本高，且在收获季节，由于收获效率低，耗时长，木薯块根在地下发芽、腐烂，导致木薯减产，严重阻碍木薯种植业发展的"瓶颈"问题，对加速广西木薯种植业及生物能源的发展都具有非常重要的意义。

结论摘要：

木薯块根收获机械基础理论的研究成果少，国外，虽然研制出了适合当地使用的木薯块根收获机械，但适合种植于粘土和我国木薯生长状况的末见有报导。木薯块根长，生长深，分布范围宽，易断，且木薯块根机械收获机理复杂，作业质量影响因素多，因此，针对我国种植于粘土的木薯情况，建立挖掘铲和土薯分离机构参数与块根损伤程度、功耗、松土程度和土薯分离程度的数学模型，研究块根损伤程度、功耗、松土程度和土薯分离程度的影响规律及机理，优化机械系统参数，形成木薯块根收获机械基础理论及设计方法，成为了具有挑战性和重要性的前沿课题。项目以广西有代表性的木薯生长状况为对象，采用物理试验方法、有限元法( FEM)和光滑粒子流体动力学(SPH)的耦合算法、仿生原理和带精英策略的快速非支配排序遗传算法等，进行了以下主要内容的研究:(1)土壤-块根-挖掘铲系统和土壤-块根-茎秆系统的动力学仿真模型及块根拔起力的数学模型的研究；(2) 挖掘铲松土机理和挖掘铲结构参数的优化研究；(3)块根拔起机理研究；(4)人拔起块根的较优速度模型和机械较优块根拔起速度模型的研究。结果表明，(1)建立的土壤-块根-挖掘铲系统耦合计算模型适用于松土作业的数值模拟；土壤被铲尖抬起，产生弯折、剪切破裂是挖掘作业土壤疏松的主要原因；挖掘铲的入土角和铲宽增大，松土程度增加，块根有效应力增大，块根易产生折断，造成收获损失，而翼张角增大，牵引阻力减小，松土程度减小；挖掘铲结构参数的优组合为:入土角28°，翼张角64°，铲宽38cm。(2) 建立的土壤-块根-茎秆系统耦合计算模型适用于块根拔起作业的数值模拟；在块根拔起的过程中，随着块根向上拔起，土壤受块根的挤压作用不断加强，块根与茎秆连接处的有效应力逐渐增大，并向外延伸，块根与茎秆连接处的有效应力最大，而约在0.42s时，块根末端处的土壤出现与水平面成35°夹角的环形剪裂面，后沿环形剪裂面被剪切分离，分离后的土壤受到抖动作用，与块根非粘连的土壤在重力的作用下回落，完成土薯分离；人的块根拔起较优速度模型为非线性复杂模型，但可近似用一凹面向下的抛物线与一条正弦曲线叠加表达，且有利于提高收获效率和减少收获损失。机械较优速度模型为v=-0.056t2+0.521t+0.048+0.086sin(38.506t-1.165)。项目获得的成果为挖拔式木薯块根收获机械的设计提供了理论依据。