基于离散元的三七种子仿真参数标定与试验

采用逆向工程技术,基于粘结颗粒模型,在EDEM软件中建立了三七种子离散元模型;结合台架试验和仿真试验,在EDEM软件中标定接触参数,通过碰撞弹跳试验、斜面滑移试验和斜面滚动试验,得到三七种子与ABS塑料之间碰撞恢复系数、静摩擦因数和滚动摩擦因数分别为0. 611、0. 473和0. 067;基于二次回归正交旋转组合试验的响应面优化方法,确定EDEM仿真试验中三七种子之间最佳的接触参数,通过堆积试验,得到三七种子之间碰撞恢复系数、静摩擦因数和滚动摩擦因数分别为0. 492、0. 202和0. 083;选取三七精密排种器进行验证试验,以排种器充种合格率、漏播率和重播率作为试验指标,在不同排种轮转速的试验条件下,分别对比试验指标的实测值和仿真值,得到试验指标的相对误差均小于5. 0%,表明该三七种子离散元模型和接触参数可用于离散元仿真试验。     

玉米颗粒粘结模型离散元仿真参数标定方法研究

在CFD-DEM气固耦合仿真中,粘结颗粒模型被广泛用于排种器大颗粒种子模型建立,但该模型受建模方法的限制,与传统球面填充法相比,其表面粗糙度与真实种子的差距更为明显。在应用响应面法对颗粒接触参数进行标定时,会存在因因素零水平值选取不当造成仿真标定参数失真的问题,影响气固耦合仿真精度。针对此问题,本文建立因素标定时零水平值与实测值的线性函数,选取6组不同修正系数求解标定时零水平值,并应用响应面优化法对玉米颗粒粘结模型的种间静摩擦因数和滚动摩擦因数两个关键因素进行标定。将不同修正系数下标定的玉米种子接触参数输入EDEM中进行提升仿真试验,拟合不同修正系数取值时堆积角正切值的线性函数,通过拟合方程求得修正系数取值为0.1977时标定的玉米种间接触参数值最为准确,且标定参数的最佳组合为玉米-玉米静摩擦因数0.031、玉米-玉米滚动摩擦因数0.0039。将最佳参数组合输入EDEM中进行抽板仿真试验和排种过程仿真试验,试验结果分别与真实试验对比,发现标定参数后的仿真试验与真实试验种群分布相近,二者无显著性差异,表明标定后的玉米离散元接触参数是可信的。研究结果可为后续气力式排种器仿真过程标定参数范围选取提供参考。     

荞麦米筛分物料接触参数测量与离散元仿真标定

荞麦剥壳后输出的主要混合物为荞麦米和荞麦,二者因尺寸差异较小造成分离困难。为了理清混合物分离中难筛物料的分离机理,拟借助EDEM软件对荞麦米筛分过程进行仿真,因仿真中所需筛分物料的接触参数无处查,需逐一确定,本文采用试验测定与EDEM仿真标定相结合的方法研究离散元仿真荞麦米筛分时所需的物料接触参数。试验测定了混合物各物料间、各物料与筛板间的碰撞恢复系数;混合物各物料间、各物料与筛板间的最大静摩擦因数,借助EDEM软件进行正交试验仿真标定以上各个参数。结果表明:离散元仿真标定的平均误差值小于7.90%,试验所测数据准确性较高,可为离散元仿真荞麦米筛分时物料接触参数设置提供参考。     

切段式甘蔗收割机排杂仿真建模方法研究

针对目前切段式甘蔗收割机排杂装置排杂机理研究匮乏的问题,通过SolidWorks和ICEM建立了排杂装置简化的几何模型,对收割机切段后的蔗料进行了分类,并利用EDEM离散元软件进行建模及离散元参数的测定和标定。采用Fluent软件进行了收割机排杂装置的稳态风场仿真,通过室内试验进行了验证。在此基础上,采用计算流体动力学CFD(Computational Fluid Dynamics)和离散元方法DEM(Discrete Element Method)的耦合方法建立了排杂装置-蔗秆段-蔗尾(碎蔗)-蔗叶的耦合仿真模型,并通过田间试验进行了验证。结果表明:建立的排杂装置-蔗秆段-蔗尾(碎蔗)-蔗叶的耦合系统仿真模型合理,可为进一步研究排杂装置工作机理及优化排杂装置提供参考。     

饲料油菜薹期收获茎秆破碎离散元仿真参数标定

针对饲料油菜机械化收获中的切碎、抛送等关键环节离散元仿真缺乏准确模型的问题,以抽薹期饲料油菜茎秆为研究对象,利用EDEM仿真软件开展饲料油菜茎秆破碎离散元仿真模型参数标定研究。试验测定了饲料油菜本征参数,应用Hertz-Mindlin基本模型进行饲料油菜茎秆颗粒堆积仿真试验,通过二水平因子试验、最陡爬坡试验和响应曲面试验,确定了饲料油菜茎秆颗粒碰撞恢复系数、静摩擦因数和滚动摩擦因数等基本接触参数。在此基础上,应用Hertz-Mindlin with bonding接触模型进行饲料油菜茎秆弯曲破坏仿真试验,通过响应面分析确定了饲料油菜茎秆颗粒法向接触刚度、切向接触刚度、临界法向应力与临界切向应力等饲料油菜茎秆破碎离散元仿真模型的主要参数。以确定的参数进行堆积角仿真试验,结果表明,仿真结果与实测值相对误差为2. 27%;不同直径油菜茎秆破碎仿真试验表明,仿真结果与实测值相对误差不大于4. 21%,说明标定方法正确可行,标定参数准确可靠。     

基于EDEM的双腔式棉花精量排种器排种性能仿真研究

以双腔式棉花排种器为研究对象,通过利用离散元仿真分析软件EDEM对排种器的工作过程进行仿真分析,确定了对取种器取种性能产生较大影响的因素为V型槽角度、进种口直径和后腔上部长度,利用虚拟仿真试验确定最优的取种器结构尺寸参数组合,仿真试验结果表明最佳结构参数为:取种器前腔长度11 mm、前腔宽度10.5mm、前腔高度15m...     

基于离散元的微型马铃薯仿真参数标定

为系统全面地研究微型马铃薯种子离散元仿真物性参数,根据其物料特征创建微型薯模型,以此为基础建立微型薯离散元参数获取模型。利用试验测定及仿真模拟相结合的方法对微型薯颗粒离散元参数进行标定和校准,即以先后建立碰撞恢复系数测定模型、微型薯-钢板摩擦因数测定模型、微型薯颗粒间摩擦因数测定模型的方法,在EDEM中建立仿真试验模型并以所标定的相应离散元仿真参数为自变量,以仿真模型所测定的因素为评价指标,通过在仿真模型中改变自变量获取相应的评价指标值,建立曲线拟合方程,将真实试验模型中对各因素所测定的值作为仿真目标值代入拟合方程中得到微型薯离散元仿真参数并进行了仿真试验验证。求得微型薯种子离散元仿真参数:微型薯-钢板碰撞恢复系数为0.523,微型薯颗粒间碰撞恢复系数为0.478,微型薯-钢板静摩擦因数为0.644,微型薯-钢板滚动摩擦因数为0.022 1,微型薯颗粒间静摩擦因数为0.325,微型薯颗粒间滚动摩擦因数为0.030 0。对标定后的微型薯离散元物性参数进行仿真验证试验,结果表明标定后的微型薯仿真颗粒堆积角以及种子分布情况与真实试验条件相吻合,为微型薯相关播种机具设计和优化提供了理论依据。     

基于CBR的机械式大豆排种器设计重用技术

为缩短机械式大豆排种器设计周期,降低设计成本,研究了机械式大豆排种器设计重用技术。运用物元模型表示排种器设计知识,构建排种器实例物元数据库,并与排种器参数化模型库共同组成排种器实例库;将排种器实例属性划分为基本参数、匹配参数和评价参数,通过基本参数的匹配缩小检索范围,利用改进的最近邻算法计算匹配参数和评价参数的相似度,实现相似实例的快速检索;利用规则关联的方法建立设计需求与排种器参数化模型主驱动参数间变换关系,通过对模型主驱动参数的调整实现实例的修改;采用Visual Basic语言、结合计算机辅助三维交互应用(Computer aided three-dimensional interactive application,CATIA)软件实现机械式大豆排种器交互式设计重用,运用工程离散元方法(Engineering discrete element method,EDEM)对重用排种器进行虚拟仿真,根据仿真分析结果提出改进意见,并对改进后的排种器进行仿真验证与台架试验。结果表明,改进后的排种器作业性能得到了提高,验证了该设计重用技术的可行性和有效性,可为农机装备的智能化设计研究提供技术借鉴。     

黄土高原坡地土壤与旋耕部件互作离散元仿真参数标定

针对黄土高原坡地土壤-旋耕部件互作机理研究以及坡地专用旋耕机具设计缺乏准确可靠离散元仿真参数的问题,以典型坡地粘壤土(含水率13.4％±1％)为研究对象,选取EDEM中Hertz-Mindlin with JKR Cohesion接触模型,对相关仿真参数进行标定.首先,对土壤颗粒间接触参数进行了标定,以土壤颗粒的仿真堆...     

绿豆种子离散元仿真参数标定与排种试验

为提高绿豆精密排种过程离散元仿真模拟试验所用仿真参数的准确度,进一步优化排种部件,基于绿豆种子的本征参数,采用Hertz Mindlin with bonding粘结模型建立种子仿真模型,分别采用自由落体碰撞法、斜面滑动法、斜面滚动法对绿豆种子与接触材料(有机玻璃、Somos8000树脂)间仿真参数进行标定,结果表明：绿豆与有机玻璃碰撞恢复系数、静摩擦因数、滚动摩擦因数分别为0.445、0.458、0.036,与Somos8000树脂碰撞恢复系数、静摩擦因数、滚动摩擦因数分别为0.434、0.556、0.049。以种间接触参数为因素,以实测堆积角与仿真堆积角相对误差为指标,进行了最陡爬坡试验、三因素五水平旋转组合设计试验,以最小相对误差为优化目标,对试验数据寻优分析得到：绿豆种间碰撞恢复系数、静摩擦因数、滚动摩擦因数分别为0.3、0.23、0.03。对标定结果进行排种验证试验,结果表明：仿真试验漏吸率与台架试验漏播率最大相对误差为4.71%、重吸率与重播率最大相对误差为4.94%、单粒率与合格率最大相对误差为0.98%,证明标定结果可靠。该研究结果可为绿豆精密排种装置的设计与仿真优化提...     

玉米秸秆粉料致密成型离散元模型参数标定

为了提升秸秆粉料致密成型过程中离散元仿真所需参数的准确性,以玉米秸秆粉料为研究对象,利用EDEM软件中的Hertz-Mindlin with JKR粘结接触模型进行玉米秸秆粉料致密成型离散元仿真模型参数标定研究。首先,以接触参数的物理试验结果作为仿真参数选择依据,应用Plackett-Burman试验对初始参数进行筛选,方差分析结果表明,玉米秸秆粉料间滚动摩擦因数、粉料与不锈钢板间静摩擦因数以及JKR表面能对堆积角影响显著;其次,以堆积角为评价指标,应用Box-Behnken试验建立了堆积角与3个显著性参数的二次多项式回归模型,以物理试验得到的实际堆积角42.60°为目标值,对显著性参数进行寻优,得到最优组合为:秸秆粉料-粉料滚动摩擦因数为0.05、秸秆粉料-不锈钢板静摩擦因数为0.47、JKR表面能为0.05 J/m²;最后,在标定的参数下进行堆积角和模孔压缩试验对比,结果表明,仿真堆积角与实测堆积角相对误差为0.68%,仿真与实际试验压缩位移相对误差为0.98%,通过对比分析两次试验中秸秆粉料模孔压缩位移变化曲线的拟合情况,得出两曲线间的决定系数R~2为0.962 7,说明所得相关参数可用于秸秆粉料致密成型离散元仿真。     

预切种振动供种式木薯播种器勺链排种机构设计与试验

针对目前预切种式木薯精密播种器存在充种困难以及播种合格指数低等问题，在播种器中进一步设计勺链排种机构。阐述播种器工作原理以及设计勺链排种机构相关参数，基于最速降线理论对排种机构的捞种勺进行参数设计，并对机构作业的充种与投种过程中木薯种茎受力和运动状态进行理论分析，确定影响充种性能因素显著性主次顺序为捞种勺型式、捞种勺数量、输送链运动速度以及充种倾角。利用EDEM软件进行单因素仿真，得出不同试验因素对充种性能的影响规律；进行响应面BBD仿真试验，确定最优因素参数组合。研制播种器样机进行台架和田间试验，结果表明当充种倾角为37°、捞种勺数量为12个、输送链运动速度为0.63 m/s时，充种合格指数为93.8%,漏充指数为1.9%。田间试验表明预切种振动供种式木薯播种器勺链排种机构作业性能较优，满足木薯精密播种农艺要求。     

基于单轴密闭压缩试验的草炭离散元参数标定

为了提升穴盘播种过程中草炭装盘、压穴、覆料的仿真准确性,基于草炭的物料特性,选择Edinburgh Elasto-Plastic Adhesion（EEPA）模型在EDEM软件中建立草炭离散元仿真模型,通过单轴密闭压缩和虚拟仿真试验对草炭参数进行标定。通过物理试验测得草炭密度、粒径分布和接触参数,应用Plackett-Burman Design和最陡爬坡试验设计显著性分析试验,发现草炭间恢复系数、静摩擦因数、草炭切向刚度因子和剪切模量影响显著。应用Central Composite Design试验建立响应值与4个显著性参数的二次多项式回归模型,以单轴密闭压缩20%、50%轴向应变对应的轴向压力3.83、91.45N为目标值对显著性参数进行寻优,得到最优组合为：草炭间恢复系数0.202、草炭间静摩擦因数0.595、切向刚度因子0.667、草炭剪切模量0.613MPa。最后将该参数组合下的仿真值与实测值进行对比验证,在轴向应变范围20%~50%内实测值与仿真值的平均误差约为8.08%。相对误差在轴向应变40%左右达到最大值,为15.34%。结果表明基于响应面法标定的EEPA模型参数可用于离散元仿真研究。     

颗粒饲料破损离散元仿真参数标定

为了探究气力输送中颗粒饲料的破损机理,针对当前缺乏颗粒饲料准确破损仿真模型的问题,利用EDEM仿真软件进行颗粒饲料破损离散元仿真参数标定研究。以粒径为2.50 mm混养成鱼颗粒饲料为研究对象,通过基础试验测定了颗粒饲料本征参数;通过颗粒饲料休止角试验、碰撞恢复系数标定试验和落料时间,结合试验优化设计方法,确定了饲料间的碰撞恢复系数、静摩擦因数、滚动摩擦因数为0.58、0.23、0.12,饲料和软塑料（软PVC）间的碰撞恢复系数、静摩擦因数、滚动摩擦因数为0.69、0.22、0.18;通过颗粒饲料单轴压缩破碎试验和仿真试验,结合响应面优化确定了单位面积法向刚度、单位面积切向刚度、临界法向应力、临界切向应力,分别为2.25×10⁹ N/m³、8.05×10⁸ N/m³、455 MPa、305 MPa。以确定的参数进行休止角仿真试验、单轴压缩仿真试验,结果表明,休止角、破碎力、落料时间的仿真值与实测值相对误差分别为0.35%、1.43%、2.81%;通过自由落料、斜面滑动、斜面滚动试验对粘结模型接触参数进...     

黑土区玉米秸秆-土壤混料离散元模型参数标定

由于黑土区保护性耕作中关键农机部件设计优化过程中缺乏准确的离散元仿真模型参数,在一定程度上制约了机具的优化改进。以黑土区玉米秸秆-土壤混料为研究对象,构建玉米秸秆-土壤混料离散元仿真模型,采用物理试验与EDEM仿真试验相结合的方法,选用Hertz-Mindlin with JKR接触模型进行离散元仿真接触参数标定。首先,采用圆筒提升的方法确定玉米秸秆-土壤混料的实际堆积角,利用Design-Expert软件中Plackett-Burman试验筛选出对堆积角有显著影响的参数为：土壤-土壤滚动摩擦因数、土壤-钢静摩擦因数、秸秆-土壤滚动摩擦因数、土壤JKR表面能;进一步通过最陡爬坡试验确定4个参数的最优取值范围,根据Box-Behnken试验原理以堆积角为响应值,建立堆积角与显著参数的二次回归模型;以实际堆积角为目标,利用软件寻优功能对显著参数进行优化并得到最优参数组合：秸秆-土壤滚动摩擦因数0.16、土壤-土壤滚动摩擦因数0.24、土壤-钢静摩擦因数0.75、土壤JKR表面能0.67J/m2。通过仿真试验对最优参数组合进行对比验证,仿真堆积角与物理试验堆积角相对误差为1.64%。研究结果表明标定的参数真实可靠,可为黑土区玉米秸秆-土壤混料的离散元仿真提供理论参考。