实现油用牡丹果实的机械化采收,是油用牡丹产业化发展的重要条件,对提高我国食用油自给率、解决食用油供需矛盾和促进地区林业经济发展具有重要的意义。然而,现有的油用牡丹果实采摘机虽然能够部分满足机械化作业的需求,但是其采摘机构和割刀设计仍然缺乏充足的理论依据,没有实现最优化设计。因此,本文以油用牡丹茎秆为研究对象,针对茎秆的宏观剪切性能、微观结构差异和剪切变形特点进行了试验研究,以此为基础建立了茎秆切割本构方程,并通过有限元仿真的方法实现了对采摘机割刀关键参数的优化设计,为油用牡丹果实采摘机的设计提供了理论依据和技术支撑。本文主要取得了以下成果:1.设计了一套油用牡丹茎秆剪切试验装置,以茎秆生长期、刀具几何参数以及切割速度为试验因素,进行了油用牡丹茎秆剪切试验研究。得到了茎秆剪切强度和剪切功随生长期变化的规律,发现果实成熟期茎秆平均剪切强度最低,有利于果实的采收;分析了刀具刃角、滑切角对油用牡丹茎秆剪切性能的影响,并基于滑切理论对试验结果进行机理分析;研究了切割速度对茎秆峰值切割力和剪切功的影响,发现茎秆剪切过程存在明显的应变率效应。2.对不同生长期的油用牡丹茎秆,使用扫描电子显微镜测定了茎秆微观组织含量的差异,以及不同生长期的平均含水率,研究了这些因素对茎秆剪切强度的影响。在此基础上,采用多元回归的分析的方法建立了以茎秆剪切强度为因变量,以茎秆厚壁组织含量、含水率、维管束含量以及维管束含量与含水率交互作用为自变量的多元回归方程,并通过试验验证了方程的准确性。研究了多因素综合作用下各因素对茎秆剪切强度的影响,建立了油用牡丹茎秆剪切性能与微观组织含量和含水率的跨尺度关系。3.基于二维数字图像相关（2D-DIC）方法,根据相机小孔成像的基本原理,提出了离面位移误差校正算法,建立了茎秆剪切变形过程中位移场和应变场的计算方法。基于此算法搭建了茎秆剪切变形测试系统,对油用牡丹茎秆剪切过程的变形和应变进行测量,实现了包含离面位移信息的茎秆表面三维位移场和应变场计算,研究了油用牡丹茎秆在剪切变形特点,发现茎秆在剪切变形过程中动刀侧的变形和应变更为集中,且刀具刃角减小可以产生更明显的应变集中以减小切割阻力。研究表明,本文建立了一种有效的茎秆剪切变形测试系统和测量方法。4.根据油用牡丹茎秆剪切特性和剪切变形特点,提出采用有限元方法进行茎秆剪切仿真研究。基于油用牡丹茎秆切割过程中明显的应变率效应,提出以塑性随动模型为基础,通过引入反映茎秆不同生长期性能差异的自定义调节系数,建立了茎秆切割本构模型。基于模型本构参数的物理意义,提出准静态和动态拉伸试验的方法测定了本构参数,应用模型进行了有限元仿真,并进行茎秆剪切试验对仿真结果进行验证。研究表明,自定义本构模型能有效反映油用牡丹茎秆切割过程中塑性变形阶段的应力应变特性以及茎秆生长期差异对剪切性能的影响。5.基于建立的茎秆切割本构模型,结合采摘机割刀设计的实际需求,对割刀刃角、割刀滑切角和切割速度这三个关键参数进行了优化设计。通过有限元仿真的方法,按照正交优化设计的方法进行了多因素的仿真研究,对割刀刃角、滑切角和切割速度进行了因素水平组合的优选。设计并搭建了一型茎秆切割试验台,通过切割试验验证了仿真结果的可靠性。研究结果表明,割刀刃角15°、割刀滑切角10°和切割速度0.2m/s是最省力的参数组合,即为割刀的最佳设计参数。