基于离散单元法农田土壤单轴压缩模型的建立及参数校核

建立基于离散单元法的农田土壤单轴压缩可靠模型,并较准确模拟真实土壤力学性能,在有限元理论的基础上,借助Flunet-UDF能将模型网格信息写出的特点,利用EDEM软件自定义工厂生成不饱和土壤单轴压缩模型,并对其进行仿真试验。仿真试验结果表明:切向接触刚度和曲线的上升段与应变轴夹角、峰值、下降段与应变轴夹角均有关,上升段、下降段与应变轴夹角、峰值随切向接触刚度增大而增大;曲线的峰值在随临界切向应力减小而减小,下降段落点随临界切向应力减小而离原点越近;下降段与应变轴夹角随法向接触刚度增大而增大;下降段与应变轴夹角随临界法向应力减小而增大。当法向接触刚度为210 MN/m3、切向接触刚度为80 MN/m3、临界法向应力为30kPa和临界切向应力为8kPa时,该组黏结参数能较可靠表征含水率为10.5%的耕地土壤力学特性。     

离散元法在土壤动力学方面的研究

离散元法是求解与分析复杂离散系统的运动规律与力学特性的一种新型数值方法。耕作土壤本身具有离散性质,因此离散元法是分析外力作用下土壤动态行为变化过程的较理想方法。本文主要阐述了离散元法在土壤动力学方面的国内外研究进展,就接触模型、颗粒形状模型、接触判断以及与其他数值方法的耦合的国外研究进展进行综述,并对将来的研究工作进行展望。     

离散元法中所用土壤参数测量及标定方法研究

[目的]针对离散元仿真软件涉及的土壤参数进行测量及标定。[方法]基于Hertz-Mindlin with JKR黏结模型,通过直接测量法测量土壤的固体密度、弹性模量和泊松比,并用堆积角和滑动摩擦角来标定土壤接触参数。通过中心组合试验,采用Design-Expert 8.0.6软件,以土壤休止角、土壤与65Mn钢滑动摩擦角的仿真值与实测值的相对误差为优化目标进行回归分析。[结果]通过分析获得最优的离散元接触参数组合为土壤间恢复系数0.28、静摩擦系数0.49、滚动摩擦系数0.24、土壤表面能0.04 J/m²,土壤与65Mn钢间恢复系数0.59、静摩擦系数0.67、滚动摩擦系数0.13。在所测土壤参数及最优标定参数下,采用离散元仿真模拟探针入土行为,获得探针在8 mm/s的贯入速度下,贯入20、40、60、80和100mm处仿真试验和土槽试验探针阻力相对误差分别为8.59%、9.88%、9.72%、0.15%、6.98%,误差在可接受范围内。[结论]参数测量和标定方法准确可靠性,可为松软土壤的离散元仿真提供参考。     

基于离散元法的螺旋式排肥器性能模拟试验

为提高螺旋式排肥器对颗粒肥料的排肥稳定性与均匀性,采用离散元仿真软件EDEM对排肥器结构参数进行数值模拟并进行仿真试验,分析螺旋叶片直径、螺距和排肥轴转速对排肥器排肥性能的影响,获得排肥器工作参数与排肥量和排肥稳定性变异系数的回归数学模型。仿真试验结果表明:影响螺旋式排肥器排肥量的因素主次依次为排肥轴转速、螺距、螺旋叶片直径,排肥量最大为221.2 g/s,最小为54.76 g/s;影响排肥稳定性变异系数的因素主次依次为排肥轴转速、螺距、螺旋叶片直径,通过Design–Expert 8.0进行参数优化,确定排肥器最优参数组合,即螺旋叶片直径100 mm、螺距60 mm、排肥轴转速15 r/min,此时排肥稳定性变异系数达到最小值,为8.48%,排肥器排肥性能较为稳定均匀。     

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。     

单一层状岩体和软硬复合岩体单轴压缩破损特征试验研究

针对层状岩体的破损特征开展了一系列的物理模拟试验,分析了单一层状岩体和软硬复合岩体在单轴压缩情况下的破损特征,并对倾角、夹层的变化对岩体破损的影响规律进行了研究。试验结果表明,当岩层倾角较小时,单一层状岩体和软硬复合岩体破坏主要为岩石先破坏,后层间错动破坏,破损模式与无分层的岩石破损相似;当倾角增大时,单一层状岩体的破损以层间的剪切破坏为主,而软硬复合岩体的破坏同时伴有内部硬夹层的劈裂破坏;当角度增大到90。时,单一层状岩体的破坏为沿层间直接破坏,软硬复合岩体则同时伴有边缘硬质夹层的失稳劈裂。[     

土壤行为的离散元研究

离散元在研究非连续物质上有着不可替代的优越性。本文介绍了离散元研究土壤行为的意义、现状及存在的问题,重点探讨了离散元在土壤颗粒建模时模型的选择、改进及参数的选择,以期对后续的研究有所帮助。     

基于离散元法的分层施肥靴参数优化与试验

为实现一次性满足作物不同生长时期对肥料的需求,提高肥料的利用率,设计一种分层施肥靴。通过理论计算确定其主要结构参数,利用离散元法对肥料分层过程进行仿真试验,并结合响应面分析法得出分层施肥靴结构参数及运行条件的最佳组合;设计台架试验检验上下两层肥料的分肥比例,进行田间试验对仿真分析结果进行验证。结果表明:圆杆数量对肥料分层效果影响极显著(P0.01),行进速度对肥料分层效果影响显著(P0.05),圆杆直径对肥料分层效果影响不显著(P0.05)。确定最优组合参数为:圆杆数量6根,圆杆直径4mm,行进速度6.04km/h,此条件下上下两层肥料距离的变异系数为4.57%;在不同施肥量条件下,上下两层肥量比为4∶6,变异系数的仿真值与试验值相对误差不超过4%,证明利用离散元法对分层施肥装置进行参数优化具有可行性。该研究为精准对行分层施肥机的改进提供了参考,对推动新疆精量减肥具有一定的意义。     

尺寸效应对岩石单轴压缩试验影响研究

为探究尺寸效应对小尺寸岩样单轴压缩试验的影响规律,通过在室内伺服试验机上对直径25 mm,不同长度的花岗岩岩样进行单轴压缩试验,研究尺寸效应对小尺寸花岗岩岩石力学参数以及破坏形式的影响规律。试验结果表明,随着长径比增加,岩样表现出抗压强度和泊松比逐渐减小,弹性模量增加的趋势。其中,多项式模型较为适合小尺寸岩样尺寸效应强度模型;不同长径比岩样的单轴压缩试验应力-应变曲线加载趋势不同,其峰值应变随着长径比的增加而减小;随着长径比的增加,岩石破坏形式从脆性剪切破坏转变为剪切破坏,最后逐步变为脆性破坏,岩样破坏面数量与角度出现规律性变化。当长径比在1.1～2.2时,岩样破坏形式遵循相同的破坏准则,通过拟合公式推导不同长径比岩样的力学参数存在可行性;岩石单轴试验破坏过程中的能量与长径比呈负相关,且当长径比在1.9～2.2时,各能量变化幅度趋于平缓,岩样破坏形式较为统一,其强度在数值上表现的差异性较小,可作为小尺寸岩样单轴试验的最佳长径比。     

考虑颗粒间黏结力的黏性土壤离散元模型参数标定

【目的】实现黏性土壤离散元模型的接触参数与接触模型参数标定。【方法】基于土壤堆积角物理试验结果,采用考虑颗粒间黏结力的\"Hertz-Mindlin with JKR\"接触模型进行土壤堆积角仿真试验,借助GEMM(Generic EDEM material model database)数据库获得离散元模型关键参数(包括JKR表面能、恢复系数、静摩擦系数与动摩擦系数),进一步运用Box-Behnken试验方法进行堆积角仿真试验。【结果】通过对试验结果进行多元回归拟合分析获得了堆积角回归模型,回归模型的方差分析表明该模型极显著,试验因素对堆积角的影响为二次多项式,且存在复杂的一次与二次交互作用。以堆积角40.45°为目标对回归模型进行寻优,得到了优化解:JKR表面能7.91J·m-2;恢复系数0.66;静摩擦系数0.83;动摩擦系数0.25。以此优化解进行仿真试验获得的堆积角为39.73°。堆积角仿真试验与物理试验在堆积角度和形状上具有较高的相似性。【结论】可利用该优化参数对样品土壤进行进一步的黏性土壤与触土部件间的离散元仿真,从而揭示黏性土壤在触土部件作用下的运动规律。     

基于拟土颗粒DEM数值模型的静态液桥力测试方法

为经济便捷地测定微量液桥力与球颗粒间距的关系,提出基于微量天平的手动与连续测试的方法,能实现两球位置精确移动和间隙调整,观察并记录液桥从拉伸直至断裂的形态和液桥力变化,采用连续测量方式还可自动实现液桥力数值的连续输出。对等径球和异径球液桥力的测试记录与不同公式计算结果的比较表明,手动和连续测试方法具有较高测试精度且经济适用,可用于对不同液桥力公式的精度进行评估;对异径球液桥力的测试与不同公式结果的比较还表明,静态液桥力近似公式简洁明确精度较好,可供选用。     

等径球颗粒群流动特征实验研究

为考察等径球颗粒流动特性以便正确地设计模型试验或简化离散元计算,进行了透明可视的二维(单层紧密排列)平底仓钢珠卸料实验、拟二维矩形料槽玻璃球卸料实验和三维半圆柱平底仓玻璃球卸料实验。结果表明:二维(单层)精确等径球颗粒床具有微晶格效应,因此流动是畸变的;半圆柱仓的三维流动不出现畸变;而第3方向取几个球厚度的拟二维流动也避免了微晶格效应和畸变。透明半圆柱平底仓的玻璃球卸料实验表明用它取代圆柱仓可以较好反映圆柱仓内颗粒流动规律。拟二维和半圆柱仓的简化对诸如球床式核反应堆堆芯内球流一类问题的模型实验和离散元模拟有实用价值。     

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%。     

U形筒螺旋输送机输送颗粒物料的离散元仿真

采用试验与离散元模拟相结合的方法,对U形筒和圆形筒螺旋输送机输送颗粒物料的动态过程进行对比研究。结果表明:1)U形筒和圆形筒螺旋输送机输送颗粒时都存在质量累积波动现象,波动现象都随着螺旋叶片的转速、螺旋输送机的倾斜角度增加逐渐减弱;2)螺旋输送机的倾斜角度在0~45°时U形筒的效率大于圆形筒,当倾斜角度超过60°后圆形筒效率超过了U形筒,另外输送效率并非随螺旋叶片的转速增加线性增大,而是当转速增大到一定值后趋于稳定;3)对比U形筒和圆筒螺旋输送机工作时颗粒在所受挤压力,位于进料口处颗粒受力最大,且在进料口处圆筒螺旋输送机大于U形筒,转速增加颗粒受力趋稳。     

白萝卜种子颗粒模型离散元接触参数标定与试验

在利用EDEM与FLUENT耦合模拟白萝卜排种器排种过程时,白萝卜种子颗粒参数设置以及模型的选择直接影响仿真结果的可靠性。结合白萝卜种子真实颗粒和仿真堆积试验,标定了不同填充球颗粒半径白萝卜种子模型的2个主要接触参数：白萝卜种子-有机玻璃静摩擦系数和白萝卜种子间静摩擦系数。采用自动填充方式创建了不同填充球颗粒半径白萝卜种子的离散元模型。利用Plackett-Burman试验对物料特性影响参数进行分析,发现白萝卜种子-有机玻璃静摩擦系数、白萝卜种间静摩擦系数对堆积角的影响极显著。结合台架与仿真堆积试验,建立了2个主要接触参数与堆积角的二元回归模型,以白萝卜种子实际堆积角为目标对参数进行寻优,得到不同填充球颗粒半径白萝卜种子模型的白萝卜种子-有机玻璃静摩擦系数和白萝卜种子间静摩擦系数。结合堆积角相对误差率与仿真时间分析最佳球颗粒填充半径,当白萝卜种子离散元填充颗粒半径为0.25 mm时,其仿真精度和仿真时间最优。得到的最佳填充球颗粒模型以及标定的接触参数,为白萝卜种子排种器研究提供一定的参考。     

油菜钵苗移栽机成穴器外形优化试验研究

为了降低油菜钵苗移栽机成穴器的入土阻力及穴内回土量,根据油菜钵苗移栽的农艺要求,结合垂直入土成穴作业的特点,开展了成穴器外形优化研究。以油菜钵苗移栽机成穴器外形（方锥台形、圆柱台形、正菱台形）、下端尺寸、入土深度为试验因素,利用离散元法对成穴过程进行仿真分析,以成穴器的入土阻力与穴内截面回土系数为指标评价各试验因素对成穴作业质量的影响。仿真结果表明,较优的成穴器外形为圆柱台形,所成孔穴上端尺寸为72 mm,有效深度为43 mm,入土阻力为62.8 N,穴内截面回土系数为0.07。结合物理试验对成穴器作业性能进行验证,结果表明,孔穴上端尺寸、有效深度、入土阻力和穴内截面回土系数的试验结果与仿真结果之间的误差平均值分别为5.7%、6.9%、5.3%、22.2%。结果表明,优化后的成穴器外形及参数组合合理,所成孔穴满足设计要求。