本文是一篇工程硕士论文，本文针对条斑紫菜采收设备存在的损失率高、采净率低和输送设备存在的工作效率低、管路堵塞等技术问题，分析了问题产生原因并设计了对应解决方案。
1.绪论
1.1研究目的及意义
紫菜起源于我国沿海地区，是我国自然资源中最丰富的藻类之一，主要生长在沿海岸潮间带[1]。紫菜属红藻门、原红藻纲、紫菜属，藻体长约10～30cm，宽2～6cm，厚30～50�m[2]。条斑紫菜味道鲜美，富含多种人体所需的维生素和矿物质[3,4]。滩涂养殖的条斑紫菜是紫菜代表品种，在我国主要分布于大连、青岛和连云港等沿海城市[5]。条斑紫菜主要有野生和人工养殖两种藻体，野生的紫菜生长在滩涂礁石上，养殖的紫菜需要通过人工育苗附着在网帘上。紫菜每年在9月附苗，主要收获期在当年的11月至次年6月间[6]。据统计，2020年世界紫菜总产量为3.12×106t[7]。我国是紫菜主要生产国，2021年我国紫菜栽培面积为6.8×108m3，养殖产量约为1.99×105t[8]。
如今，我国的紫菜育种、栽培和后期加工等技术都趋于成熟，但对紫菜采收和输送环节的研究依然处于起步阶段[9]。针对滩涂条斑紫菜的采收环节，主要分为人工和机械两种方式[10]。我国的紫菜采收环节虽已使用机械化设备，但多为仿制其他国家，对设备关键技术的理论研究较少。正是因为我国对紫菜采收设备缺少理论研究，导致我国现役的大多数采收设备存在诸多的性能和安全方面问题，采收的紫菜质量得不到保障[11]。本课题组已经研制出直刀采收设备，经过实验发现虽然其采收效率要优于市场的采收机[12]，但存在较高的损失率和较低的采净率问题，有待进一步优化改进。
目前，我国对紫菜输送设备的研究较少，紫菜的移送和运输都是由纯人力完成，增加了紫菜收获成本，阻碍了紫菜产业更深入的发展[13,14]。此外，采收后破口的紫菜极容易变质，人工收送和搬运紫菜需要耗费大量时间，降低了紫菜的新鲜度和价值。针对紫菜输送缺少设备的问题，本课题组初步研制了一种直管紫菜输送设备，并已完成初步实验。实验表明，直管紫菜输送设备可以输送低浓度紫菜，但是在输送高浓度或纯浓度（被采收未兑水的紫菜）紫菜过程中则会出现堵塞现象，这也是本研究亟需解决的关键技术问题。
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1.2国内外现状分析
日本和韩国对采收和输送设备的研究起步较早，其相关设备的机械化程度处于领先水平[15-17]。近年来，日韩的紫菜养殖、采收、输送和加工技术与其机械化程度都得到了尤为迅速的发展[18]，特别在采收和输送设备方面的研究已经远远领先于世界其他国家。
1.2.1紫菜采收技术与装备研究进展
日本是最早研究紫菜采收技术的国家，最原始的紫菜采收机主要是通过泵吸式采收设备（图1-1）采收紫菜[19]，但是采用泵吸采收方式采收紫菜，采收效率较低，紫菜受损严重。经过不断探索改进，改用滚刀切割的方式采收紫菜。滚刀式紫菜采收机的出现和发展使劳动生产率得到了较大的提升[20]。为此，我国开始着手探索，尝试制造紫菜采收机。如今，我国的紫菜采收机大多是根据国外机型进行仿制。这种仿制的采收机缺乏理论分析和设计，导致采收效率低，采收损失高。甚至采收机的结构也存在诸多不合理之处，采收机整体强度不够，采收刀具极易损坏，采收机作业过程存在一定的安全隐患，这些都是我国紫菜采收机研发过程中急需解决的现实问题。
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2.条斑紫菜采收与输送设备改进方案分析
2.1紫菜主要养殖方式
紫菜的养殖主要采用海上筏架养殖技术，养殖设施由支撑架和网帘组成，网帘为紫菜提供附苗生长的作用，支撑架为支撑网帘张挂的支架。根据不同的养殖海域条件可分为全浮动筏式、支柱式以及半浮动筏式3种养殖方式（图2-1）。
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全浮动筏式养殖设施适用于适用于落潮后留有一定水深的海区。其网帘一侧安装有泡沫浮筒,使网帘始终稳定地漂浮在水面上[5,11]。该养殖设施主要由浮绠、网帘、泡沫浮筒等组成，网帘张挂在浮绠上通过桩绠与桩相连如，图2-1(a)所示；支柱式养殖设施适用于港湾或不能完全干出的海域，该设施是将网帘四角张挂在深插在海床的支柱上，使网帘随潮水的涨落而漂浮或露出水面[5,10]。支柱式养殖设施主要由支柱、浮绠和网帘等构成，如图2-1(b)所示；半浮动筏式适用于潮差较大的潮间带，在我国使用较广[5,11]。其兼具全浮动筏式和支柱式的优点，即在涨潮时网帘像全浮动筏式一样漂浮，在落潮时短支腿使网帘稳定地立于滩涂之上。该养殖设施除了增加有短支腿外，与全浮动筏式完全相同[9]，如图2-1(c)所示。
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2.2条斑紫菜生物力学特性试验
（1）拉伸与剪切试验
材料：2021年1月辽宁省大连市杏树屯的新鲜条斑紫菜。
仪器设备：TMS-Pro质构仪(型号TMS-PRO,美国弗吉尼亚州斯特灵FTC公司,力量感元量程1000N，检测精度0.015%)、电子测厚规(SYNTEK,型号59CHQF,中国浙江德清盛泰芯电子科技有限公司,精度0.001mm)、电子游标卡尺(Deli,型号DL91300,中国浙江宁波得力集团有限公司,精度±0.03mm)、哑铃型裁刀、玻璃皿和夹具等。
对紫菜进行拉伸和剪切试验，通过哑铃型裁剪模具裁剪出80片哑铃型样品(哑铃状样品尺寸如图2-2)，在不同的加载速率(20mm/s、30mm/s、40mm/s、50mm/s)下进行试验，每次实验重复20次。
对紫菜进行密度测量试验，随机选取60根完整的条斑紫菜，将其放入海水中浸泡30min备用。利用天平称量浸泡好的紫菜质量，记为湿条斑紫菜质量，并用量筒测量其体积。将测量后的紫菜烘干并分别用天平和盛有正庚溶液的量筒测量出干条斑紫菜的质量和体积，记录数据并分别计算出干、湿紫菜的密度。
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3.紫菜力学特性仿真与参数标定 ................................ 20
3.1 紫菜仿真模型建立和参数设定 ............................ 20
3.1.1 材料本构 ........................................ 20
3.1.2 仿真模型的建立 ..................... 20
4.紫菜采收设备优化与试验研究 ............................. 27
4.1 波纹刀切割紫菜分析 .............................. 27
4.1.1 波纹刀切割紫菜受力分析 ........................ 27
4.1.2 滑移角对紫菜受力影响 ......................... 29
5.紫菜输送设备优化与试验研究 ................................... 50
5.1 螺旋管仿真模型的建立.............................. 50
5.1.1 仿真方法与模型简化 ................................. 51
5.1.2 网格划分 ................................. 52
5.紫菜输送设备优化与试验研究
5.1螺旋管仿真模型的建立
通过对直管紫菜采后输送设备的试验发现，设备在输送纯浓度（刚被采收未兑水的紫菜）或高浓度的条斑紫菜时会出现管路堵塞的现象。因此直管紫菜输送设备试验时只能通过添加海水，稀释条斑紫菜的浓度来完成紫菜的输送作业。而在紫菜的输送需要在海上作业，在海上恶劣的作业坏境下稀释紫菜的浓度会增加作业工作量和危险性，因此对紫菜输送设备进行优化使其可以顺利输送高浓度甚至纯浓度的紫菜至关重要。
为解决弯头处的堵塞问题，选用合适的螺旋管，本章使用Fluent对管路输送紫菜的过程进行仿真分析。通过响应面试验分析，研究不同参数的螺旋管对旋速比的影响，通过响应面仿真试验优化确定螺旋管的最优参数，通过台架对比试验和海上试验确定旋流输送关键技术的可行性。
螺旋管的设计是为了缓解紫菜在弯头处的堵塞，正常的试验无法检测流体在不同的参数的螺旋管中流经不同位置的流速、流速方向，因此可采用Fluent两相流仿真：探索紫菜在管路中的流动迹线和关键平面处的切向和轴向速度关系，为了简化仿真计算，只建立弯头和螺旋管的仿真模型，如图5-1。
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6.结论与建议
6.1结论
本文针对条斑紫菜采收设备存在的损失率高、采净率低和输送设备存在的工作效率低、管路堵塞等技术问题，分析了问题产生原因并设计了对应解决方案。在原有设备的基础上对紫菜采收及输送设备进行了结构优化，分别通过波纹刀刈割关键技术和旋流输送关键技术解决了采收损失高和输送堵塞问题，主要研究内容如下：
（1）通过拉伸和剪切试验对紫菜的力学特性进行了测定，结果表明：湿紫菜的密度范围为0.596~1.1g·cm−3，干紫菜的密度范围为0.571~1.684g·cm−3，弹性模量范围为2.54~3.17MPa，剪切模量范围为9.64~12.53MPa，剪切破坏强度为2.8~3.94MPa，拉伸破坏强度为0.95~1.44MPa。综合紫菜的生物力学特性和紫菜采收及输送设备的问题，制定了采收设备波纹刀、输送设备螺旋管和低入口的结构改进方案。
（2）基于力学特性试验测得的结果，结合ANSYS/LS-DYNA有限元分析方法，对紫菜的力学特性试验进行仿真分析，通过相同条件下的力学特性仿真数据和实测数据对比发现，当接触关键字为含侵蚀接触，泊松比为0.36，摩擦系数为0.51时，仿真与实测数据误差较小。为后续优化设备仿真分析提供模型基础。
（3）利用SolidWorks建立波纹采收刀模型，通过ANSYS/LS-DYNA对波纹刀切割紫菜过程进行仿真分析，仿真云图表明，波纹刀可以有效切断紫菜。通过响应面正交试验研究了波纹刀的主要结构参数对紫菜的径向、切向和轴向力的影响规律，确定了波纹刀的最优结构参数的组合为：滑移角21°、刀倾角106°、曲边角15°。在此条件下紫菜所受的滑切刈割力为11.18N，拉伸力为1.4N。紫菜所受刈割力较直刀采收设备提升了45.26%，拉伸力较直刀采收设备降低了68.35%。对刀具进行加工并与直刀采收设备对比，完成了台架对比试验，通过试验发现波纹刀采收设备的平均损失率为1.85%，平均采净率为98.75%，均优于直刀采收设备。基于波纹刀采收设备进行了海上验证试验，结果表明采收的损失率为2.28%，采净率为96.34%，通过滑切刈割关键技术解决了采收损失高的问题。
参考文献（略）