三七种植土壤离散元仿真模型参数标定

目的获取三七Panax notoginseng种植土壤与触土部件相互作用的离散元仿真模型参数。方法基于Hertz-Mindlin with JKR接触模型建立三七种植土壤离散元模型并进行参数标定。首先,以土壤颗粒间及土壤−65Mn钢板间的JKR表面能、恢复系数、静摩擦系数、动摩擦系数为试验因素,以土壤堆积角、土壤在65Mn板上的滚动距离为评价指标。其次,采用基于Box-Behnken的响应面优化方法建立土壤堆积角、滚动距离回归模型。结果对回归模型进行寻优,得到仿真标定的土壤颗粒间JKR表面能、恢复系数、静摩擦系数和动摩擦系数的最优值分别为14.88 J/m²、0.53、0.46和0.150,标定的土壤−65Mn板间JKR表面能、恢复系数、静摩擦系数和动摩擦系数的最优值分别为7.02 J/m²、0.59、0.57和0.058。通过三七挖掘铲仿真试验与土槽试验对比分析得到,挖掘铲受X、Y轴方向平均阻力仿真值与实测值相对误差分别为9.91%、8.78%。结论标定的离散元土壤模型参数准确度高,研究可为三七收获机触土部件及装备优化提供理论参考。     

谷壳垫料颗粒离散元模型参数标定

为了得到异位发酵床垫料颗粒精准的离散元模型接触参数,以谷壳作为发酵床垫料,对谷壳部分物理参数及其物理力学特性进行测定分析,利用离散元仿真软件进行谷壳堆积角的模拟试验.选用Hertz-Mindlin(no slip)模型作为颗粒之间的接触模型,以堆积角作为评价指标,选取谷壳间的静摩擦系数、谷壳间的滚动摩擦系数及谷壳的剪切...     

基于EDEM的餐厨垃圾组成颗粒间接触参数标定

餐厨垃圾原料复杂,导致其好氧堆肥原料混合过程仿真研究中存在参数不易获取的问题。该研究通过物理堆积试验与EDEM仿真试验结合的方法对餐厨垃圾接触参数进行了标定,通过Plackett-Burman(P-B)试验对9个待标定参数进行显著性筛选。结果表明,颗粒滚动摩擦系数、Johnso-Kendall-Roberts(JKR)表面能、颗粒与几何体间静摩擦系数对餐厨垃圾堆积角的影响显著;采用爬坡试验和Box-Behnken(B-B)试验,获得显著影响参数的最优值区间与最优值组合：餐厨垃圾-餐厨垃圾滚动摩擦系数为0.11、JKR表面能为0.13 J·m^-2、餐厨垃圾-不锈钢静摩擦系数为0.73。仿真试验验证结果平均相对误差为4.3%,说明标定餐厨垃圾接触参数具有可靠性。研究结果可为餐厨垃圾处理和资源化利用设备的仿真研究提供参考。     

基于离散元的竹粉颗粒接触参数标定

【目的】建立竹粉颗粒材料的离散元模型并标定其相关接触参数。【方法】基于毛竹Phyllostachys edulis粉末物理堆积角实验结果,采用离散元法(DEM)模拟仿真和实验设计(DOE)相结合的方法,通过Plackett-Burman (P-BD)实验、爬坡实验和响应面实验获得竹粉堆积角和仿真参数之间的二次多项式回归模型,以物理堆积角为目标值预测得到接触参数的最优组合。【结果】实测竹粉物理堆积角为49.29°;P-BD实验结果表明了竹粉-竹粉滚动摩擦系数、竹粉-竹粉恢复系数和竹粉-不锈钢板静摩擦系数对堆积角影响显著(P<0.05);响应面实验结果进一步证实了P-BD实验的结果,同时表明竹粉-竹粉滚动摩擦系数自身交互作用、竹粉-竹粉滚动摩擦系数和竹粉-竹粉恢复系数的交互作用对堆积角有显著影响(P<0.05);最优因素组合为竹粉-竹粉恢复系数0.44,竹粉-竹粉滚动摩擦系数0.22,竹粉-不锈钢板静摩擦系数0.45。【结论】本研究在41.20°～55.27°堆积角范围内建立的竹粉颗粒堆积角定量模拟标定与预测平台具有较高的可靠性,DEM标定方法可为后续建立评估生物质颗粒运动行为...     

稻谷颗粒模型离散元接触参数标定与试验

EDEM与FLUENT耦合模拟稻谷清选时,稻谷颗粒参数设置的准确性直接影响仿真结果的可信度。结合稻谷颗粒堆积角的实测试验与仿真试验,标定了稻谷颗粒模型间静摩擦系数、滚动摩擦系数2个主要接触参数。设计了堆积角形成装置,该装置采用坍塌法和注入法同时形成2种堆积角,可以减小非同时形成所引起的测量误差;创建了稻谷颗粒的离散元模型,结合堆积角的实测试验与仿真试验,建立了2个主要接触参数与2种堆积角之间的二元回归方程;以稻谷颗粒2种堆积角的实测结果作为目标值,对回归方程进行数值求解,得到颗粒模型间的静摩擦系数、滚动摩擦系数分别为0.433 6、0.161 5;设计了抛洒试验对标定后的参数进行验证,抛洒长度、宽度和近抛洒端堆积角等特征参数的实测结果与仿真结果的相对误差小于5.7%,这表明颗粒的模拟运动轨迹与实际运动轨迹基本一致,所创建的稻谷颗粒离散元模型及标定得到的接触参数可以为EDEM-FLUENT耦合仿真稻谷清选过程提供参考。     

基于堆积试验的壤土离散元参数的标定

为获取南方地区黏弹性壤土颗粒离散元接触模型的本征物理参数和接触力学参数,建立其用于离散元仿真的接触模型。以试验测定的堆积角为40.95°的壤土为研究对象,选取Hertz–Mindlin with JKR接触模型,通过实测试验获取壤土的本征物理参数值;借助GEMM数据库推荐的土壤接触力学参数初选范围,通过最陡爬坡试验得到接触力学参数值的最优值区间。利用Design–Expert软件对最优值区间的接触力学参数进行4因素3水平二次正交旋转组合试验,获取堆积角回归模型,以实测土壤堆积角40.95°为目标,对回归模型进行接触力学参数寻优,得到接触力学参数的最优组合为:JKR表面能13.05 J/m2,恢复系数0.5,动摩擦因数0.15,静摩擦因数1.06,该最优组合参数仿真堆积角均值为41.07°,与实测堆积角误差为0.3%。     

揉碎玉米秸秆螺旋输送仿真离散元模型参数标定

为进一步揭示揉碎玉米秸秆饲料在螺旋输送器中的输送机理,提高揉碎玉米秸秆螺旋输送过程中离散元仿真研究所用参数的准确度,将揉碎玉米秸秆分为秸秆穰、秸秆叶、秸秆皮,采用物理试验和仿真优化设计相结合的方法对离散元仿真参数进行标定。首先,通过物理试验得到穰、叶、皮各项本征参数和接触参数的平均值和范围,将范围相对较大的接触参数通过Plackett-Burman试验利用其显著性进行筛选。结果表明,对仿真堆积角影响显著的因素有穰-叶滚动摩擦系数、皮-叶滚动摩擦系数、叶-叶静摩擦系数。对这3个显著性参数进行最陡爬坡试验,将其取值范围进行优化缩小,通过Box-Behnken试验建立堆积角与显著性参数的二阶回归模型,堆积角的目标值设置为物理试验测得的30.4°,寻优得到最佳的显著性参数的取值：叶-穰滚动摩擦系数为0.325,皮-叶滚动摩擦系数为0.377,叶-叶静摩擦系数为0.411,在此组合下仿真堆积角为30.77°。为进一步检验参数取值的准确性,通过t检验得到P>0.05,表明仿真与物理试验堆积角的值无明显差异,验证了最佳参数取值的可靠性。由此表明,应用上述各物理试验和优化试验来测定及标定离散元仿...     

水稻机械直播的土壤表层泥浆离散元参数标定

【目的】针对水稻机械直播稻田播前土壤与触土部件的相互作用机理不明确等问题,可利用离散元分析法研究影响水稻精量穴直播质量的因素。由于播前土壤的结构复杂,其表层泥浆与耕层存在一定差异,因此,需分层构建复合土壤模型。为获取精确的水稻机械直播的表层泥浆离散元参数,开展试验研究和仿真分析,并标定表层泥浆的离散元仿真参数。【方法】按照水稻精量穴直播的整地要求处理,并在播种前去田间获取表层泥浆,采用漏斗法进行泥浆堆积角试验,利用数显倾角仪多次测量泥浆堆积角并取平均值。选择EDEM离散元软件中Hertz-Mindlin with JKR接触模型,开展泥浆堆积角仿真试验。以堆积角为响应值,通过Plackett-Burman试验筛选出对堆积角影响显著的3个参数,进一步开展最陡爬坡试验缩小显著性参数的取值范围。采用Box-Behnken试验建立表层泥浆堆积角与筛选的显著性参数的回归模型,并以物理试验测得的泥浆堆积角为目标值,对显著性参数寻优得到最佳参数组合。将最优参数代入仿真软件验证表层泥浆颗粒离散元参数的准确性。【结果】泥浆堆积角物理试验获取表层泥浆堆积角为40.20°。Plackett-Burman试验...     

胶园植保硫磺粉颗粒离散元模型参数标定

【目的】白粉病是影响橡胶树天然橡胶产量的重要病害,常使用硫磺粉进行防治。为确定胶园植保过程中喷施硫磺粉颗粒的离散元仿真参数,对硫磺粉粉体的离散元参数进行标定。【方法】通过BT-1000型粉体综合特性测试仪进行物理试验获取硫磺粉休止角,测量多次取平均值。以休止角为响应值,应用Plackett-Burman试验筛选出对休止角影响显著的3个参数,进一步基于最陡爬坡试验确定显著性参数的最优取值区间,并通过BoxBehnken试验建立并优化休止角与显著性参数的二阶回归模型,以物理试验休止角为目标值,对显著性参数寻优得到最佳组合。【结果】经过物理试验测得的硫磺粉休止角大小为48.56°。通过Plackett-Burman试验筛选出的3个影响显著参数为：硫磺粉-硫磺粉滚动摩擦系数、硫磺粉-不锈钢滚动摩擦系数和JKR表面能,其余影响不显著的参数取值：硫磺粉-硫磺粉恢复系数为0.2、硫磺粉-硫磺粉静摩擦系数为0.6、硫磺粉-不锈钢恢复系数为0.2、硫磺粉-不锈钢静摩擦系数为0.5。最陡爬坡试验确定的最优取值区间：硫磺粉-硫磺粉滚动摩擦系数为0.1～0.2、硫磺粉-不锈钢滚动摩擦系数为0.15～0.35、...     

黑水虻生物转化餐厨垃圾有机肥离散元模型参数标定

在采用离散元法对黑水虻生物转化餐厨垃圾有机肥收集、转运等关键环节进行仿真分析时,存在餐厨垃圾有机肥的本征参数及餐厨垃圾有机肥与装备之间接触参数缺乏的问题。以含水率为37.5%的黑水虻生物转化餐厨垃圾有机肥为研究对象,利用EDEM 2020软件对其离散元仿真模型参数进行标定。通过Plackett-Burman试验、最陡爬坡试验及Box-Behnken试验获得各参数的最优组合为：泊松比0.2、剪切模量7 MPa、密度2 000 kg·m^-3、有机肥-有机肥碰撞恢复系数0.46、有机肥-有机肥静摩擦系数0.8、有机肥-有机肥滚动摩擦系数0.15、有机肥-钢碰撞恢复系数0.51、有机肥-钢静摩擦系数0.65、有机肥-钢滚动摩擦系数0.09、JKR表面能为0.1 J·m^-2,在该参数组合下的仿真试验结果与物理试验结果的相对误差为3.63%（P>0.05）,证明数据可靠。该研究结果表明,餐厨垃圾有机肥离散元模型和标定后得到的参数具有可靠性,可为黑水虻生物转化餐厨垃圾有机肥在机械收集、输送、分离等方面的离散元研究提供参考。     

生菜种子物理接触参数测定与离散元仿真标定

当前工厂化生菜生产播种环节自动化程度较低,设计适用生菜种子播种的自动播种机需要进行仿真模拟。为提高生菜种子在颗粒仿真软件EDEM中运动的准确性,对生菜种子的物理参数和接触参数进行试验测定。以测定的种堆休止角为验证标准,对显著影响参数标定优化。通过物理试验的方法测定生菜种子的基本物理特性和接触参数的范围区间,利用Plackett-Burman试验在多因子中快速筛选出对响应变量(种堆休止角)有显著性影响的参数。设计最陡爬坡试验缩小3个显著性参数取值范围,确定低、中、高三个水平。利用Box-Behnken试验得到二阶回归方程,以测定的种堆休止角为标准进行求解,获得生菜种子EDEM离散元仿真参数的最佳组合。最终通过独立样本T检验,验证了参数的准确性。结果表明,标定的最优参数可用于生菜种子在存种盘中振动过程离散元仿真,也可以为育苗精量播种机流固耦合的颗粒参数设定提供参考。     

土壤试样单轴压缩试验与离散元法模拟对比研究

土壤是典型的松散介质,利用粘连的颗粒离散元模型模拟土壤聚团的行成及破裂一直是散体力学的热点之一。本研究详细描述了利用带粘连的颗粒离散元模型制备土壤聚团的方法,利用粘连颗粒离散元模型对土样单轴压缩试验进行数值模拟分析,将模拟结果与试验结果进行对比分析。结果表明:试验与模拟得到的压缩曲线走势吻合,均呈拟线性上升,达到峰值后光滑下降;试验和模拟得到的土壤压缩时的强度极限分别为21.5和24 kPa,模拟值高于试验值11.6%。     

基于EEPA接触模型的土壤耕作特性模拟及颗粒球型影响分析

采用EEPA(Edinburgh elssto-plastic adhesion)接触模型模拟土壤耕作特性,探究颗粒球型对土壤离散元模型仿真精度及计算效率的影响。测定了室内土槽土壤的静态堆积角、轴向压力、耕作阻力、耕作堆积角等土壤特性参数,确定并优化了单球土槽土壤离散元模型仿真参数。建立土槽土壤-挖掘犁铲离散元耦合仿真模型并进行仿真参数验证,耕作阻力模拟值与实测值误差为1.70%。以13 mm为等效粒径确定了单球、双球、三球、四球等4种土壤颗粒的外形尺寸,采用单球、单球变粒径、双球、三球、四球、多球混合等填充方式建立了6种虚拟土槽,以耕作阻力、耕作堆积角、仿真时间为试验指标开展挖掘犁铲耕作过程仿真试验。试验结果表明:6种虚拟土槽的耕作阻力模拟值与实测值相对误差均小于8%,能够满足耕作阻力模拟要求;耕作堆积角模拟值与实测值相对误差为2.32%~20.32%,单球变粒径、四球、多球混合等虚拟土槽耕作堆积角相对误差均小于10%;单球土槽挖掘犁铲耕作仿真时间约为80.44 min,受土壤颗粒填充数量、接触关系及颗粒球型等因素影响,其他填充条件下仿真时间均有显著增加。综合考虑仿真精度及计算效率,土壤耕作阻力模拟时虚拟土槽宜采用单球颗粒填充方式,耕作堆积角模拟时虚拟土槽宜采用四球或多球混合填充方式建立。该研究为土壤-机具互作离散元仿真的建模,EEPA接触模型的参数选择,颗粒球型及填充方法的确定提供了依据和参考。     

基于离散元法的旋埋刀辊功率分配特性研究

旋埋刀辊作业功率是研究旋埋机理、优化刀辊结构的重要指标,研究旋埋刀辊各部件间功率分配特性可分析旋埋刀辊作业功率组成。通过土槽试验对离散元法仿真的土壤颗粒模型输入参数进行标定,对比不同接触模型在旋埋刀辊作业过程仿真中效果,并对不同工作条件下旋埋刀辊的功率分配特性进行单因素试验。结果表明：Hertz- Mindlin接触模型和Hertz-Mindlin with Bonding接触模型中对刀辊扭矩较为敏感的输入参数为土壤-土壤滚动摩擦系数和粘结刚度,验证试验显示上述输入参数标定的平均误差小于6.5%;对比两种接触模型的仿真效果,Hertz-Mindlin with Bonding接触模型因引入额外粘结力,与实测值平均误差仅为0.7%,更适合对黏土进行仿真;旋埋刀辊作业功率超过一半来自螺旋横刀,不同工作条件下螺旋横刀功率均占刀辊总功率60%左右,且受前进速度、刀辊转速和耕深影响更大;由旋埋刀辊功率分配特性可知,螺旋横刀对刀辊总功率影响较大,应作为旋埋刀辊减阻降耗研究的重点。     

黄色赤红壤与开沟部件互作的离散元参数标定及试验

为解决甘蔗种植机械与种植土壤间互作参数缺失的问题,选取云南南部甘蔗种植主要土种之一的黄色赤红壤进行离散元参数标定。首先以土壤休止角为响应值,使用Design-Expert 软件的Box-Behnken优化方法获得土壤休止角的回归模型,以实测休止角为优化目标,针对不同层的土壤得到仿真值与实测值相对误差分别为1.76%,2.54%。其次,通过3个物理试验测得接触参数范围,并以静滑动摩擦角为响应值,对不同层的土壤寻优的相对误差分别为1.61%、2.29%。结果表明,仿真值与实测值误差较小,可为黄色赤红壤与触土部件(65 Mn钢)间互作的仿真参数提供参考。     

基于堆积试验的黑水虻离散元仿真参数标定与分析

为解决黑水虻在畜禽粪便处理后续分离环节中应用筛分机械作业难、缺乏准确离散元仿真模型等问题,以黑水虻为研究对象,基于EDEM仿真软件模拟,选取系统中\"Hertz-Mindlin with JKR\"接触模型,以堆积角为评价指标,对黑水虻离散元仿真模型参数标定进行研究.首先,通过Plackett-Burman试验筛选对黑水虻...     

双低油菜籽粒离散元仿真参数标定与试验验证

为设计优化双低油菜机械化精量播种设备,以甘肃地区种植的双低油菜,‘青杂5号’和‘陇油19号’籽粒为对象,采用物理试验法测定2种双低油菜籽粒的基本物理学参数以及种子与PLA塑料和光敏树脂间的静摩擦因数和碰撞恢复系数。基于EDEM仿真软件和斜面滚动法,标定种子与PLA塑料和光敏树脂间的滚动摩擦因数,采用仿真逼近预测法标定种子间的滚动摩擦因数,并利用异形槽口窝眼轮排种器台架试验对仿真参数进行验证。结果表明:‘青杂5号’与PLA塑料和光敏树脂间的静摩擦因数分别为0.35和0.34,碰撞恢复系数分别为0.639和0.655,滚动摩擦因数分别为0.064和0.060。‘陇油19号’与PLA塑料和光敏树脂间的静摩擦因数分别为0.32和0.28,碰撞恢复系数分别为0.662和0.666,滚动摩擦因数分别为0.059和0.058。2个品种油菜籽粒间的静摩擦因数分别为0.57和0.59,碰撞恢复系数分别为0.384和0.397,滚动摩擦因数分别为0.054和0.046。将2种品种油菜籽粒的标定参数进行异形槽口窝眼轮排种器仿真试验和台架验证试验,对于‘青杂5号’油菜籽粒,其仿真试验与台架试验合格率的相对误差为0.48%,重播率的相对误差为4.99%,漏播率的相对误差为6.98%。对于‘陇油19号’油菜籽粒,其仿真试验与台架试验合格率的相对误差为0.29%,重播率的相对误差为3.79%,漏播率的相对误差为4.76%。