目前,关于木薯块根收获机械设计理论及方法的研究成果较少。木薯块根收获机械的研究,国内还处于起步阶段,国外,虽然研制出了适合当地使用的木薯块根收获机械,但适合粘性土壤和中国木薯生长状况的未见有报道。木薯块根机械收获机理复杂,作业质量影响因素多,因此,以中国有代表性的木薯品种和粘土作为主要研究对象,采用先进的研究方法和技术,系统建立木薯块根拔起模型和机械拔起速度控制模型,研究块根的拔起机理及块根的损失规律和机理,探索木薯块根收获机械的设计原理和系统参数优化方法,形成木薯块根收获机械设计理论,成为了具有挑战性和重要性的前沿课题。本文结合国家自然基金项目“丘陵地区木薯块根收获机械基础理论与设计方法”,针对基于粘土的木薯块根仿生拔起机构设计基础理论及难于模拟的土壤大变形和破裂现象,开展木薯块根拔起机理、土壤剪切机理及块根拔起力的力学模型、数学模型和块根拔起速度模型研究,为木薯块根仿生拔起机构设计提供依据。本文主要的研究内容及结论如下：(1)参考木材力学特性参数的测定方法,通过物理试验,测定了块根、茎秆的径向与轴向剪切、拉压强度和弹性模量。(2)采用SPH和FEM的耦合算法及修正的莫尔-库仑屈服准则,建立了木薯块根拔起过程耦合计算模型,克服块根拔起时产生的土壤大变形和破裂难于进行数值模拟计算问题及有效减少了计算时间。同时,通过数值模拟,在细观层次上探明了块根的拔起过程、土壤破裂过程及块根的应力变化规律,表明在块根拔起过程中,块根对土壤的向上挤压作用表现为逐渐加强和由内向外扩展过程,当这种挤压作用达到一定值时,土壤产生环形剪切破裂；最大拔起力出现时,土壤开始产生明显的环形剪裂面,但块根出现最大有效应力值迟于出现最大拔起力的时刻,在土壤产生环形剪切破裂到土体分离阶段,块根拔起速度不宜过快,否则块根应力过大被拉断,造成机械收获损失。同时,木薯块根可等价成一个圆盘与该圆盘外围接-定长度的块根,建立便于分析的块根拔起力力学模型。(3)采用SPH和FEM相结合的方法及修正的莫尔-库仑屈服准则,建立了土壤直剪试验数值计算模型,进行了4种不同性质土壤的直剪数值模拟试验和回归分析,探明了土壤剪切破裂过程及剪切速度对土壤剪切强度的影响机理,表明土壤被挤压产生变形,土壤粒子连结直接拉裂和土壤粒子间摩擦与挤压引起的土粒拉裂是土壤直剪断裂的主要原因；剪切速度ν增大,瞬间拉裂土粒数增多,剪切强度τ增大。剪切模量小时,τ和ν是三次方关系,剪切模量大时,τ和v是对数关系。土壤的剪切模量大,较难变形,以土粒连结直接拉裂为主,瞬间拉裂粒子数多,τ大；剪切模量小,比较容易变形,拉裂粒子数较少,τ小。(4)根据土壤动力学和植物根系摩擦理论,建立了块根拔起的力学模型及多因素耦合的块根最大拔起力数学模型,且进行了物理试验验证,表明该数学模型有较高的预测精度,同时,分析了各因素对块根最大拔起力的影响规律。(5)根据仿生学原理,选择有丰富块根收获经验的薯农,实地测定了其块根拔起加速度的变化过程,采用统计分析和非线性拟合方法,通过研究人拔起块根的速度变化规律,优选出了较优的人的块根拔起速度模型,建立了机械较优的块根拔起速度模型形式,为机械拔起机构拔起速度模型的优化提供了基础。