离散元模拟中沙土参数标定方法研究

农业机械与土壤相互作用仿真时,选用颗粒相互作用参数的准确度将直接影响仿真结果。本文提出一种通过试验与模拟相结合系统地标定沙土颗粒相互作用参数的方法。通过堆积角测试装置、三轴剪切试验仪、图像颗粒分析系统等设备测量计算沙土的堆积角、剪切模量、粒径分布和外观形貌等参数,为颗粒或工厂建模提供参考。使用标准球和非标准球对沙土颗粒的碰撞恢复因数、静摩擦因数、滚动摩擦因数进行标定。研究不同质量和不同标定方法(抽板法和漏斗法)是否对堆积角产生影响。模拟结果表明,选用标准球标定时,碰撞恢复因数是0.15,静摩擦因数是0.8,滚动摩擦因数是0.2,抽板法得到的堆积角是33.99°,相对误差是4.74%;漏斗法得到的堆积角是33.59°,相对误差是3.51%。同时,选用非标准球进行标定时,碰撞恢复因数是0.15,静摩擦因数是0.2,滚动摩擦因数是0.3,抽板法得到的堆积角是32.06°,相对误差是1.20%。由此看出,颗粒外观形貌对颗粒间静摩擦因数影响相对较大。     

果荚初期饲料油菜茎秆离散元接触模型参数标定

针对饲料油菜与不同材料的接触参数实测难度大、机械化收获离散元仿真模拟缺乏接触模型参数的问题，以果荚初期饲料油菜为对象，基于EDEM开展了饲料油菜茎秆颗粒离散元接触模型参数标定。测定了果荚初期饲用油菜茎秆本征参数，茎秆平均直径为20.4mm，密度为809kg/m3，茎秆弹性模量、剪切模量和泊松比平均值分别为115.73MPa、47.04MPa和0.23；以休止角为评价指标，应用Hertz-Mindlin基本模型和圆筒提升堆积法开展了饲料油菜茎秆颗粒堆积的虚拟二水平因子试验，结果表明饲料油菜茎秆与钢之间的碰撞恢复系数和滚动摩擦因数以及茎秆之间的碰撞恢复系数对休止角的影响较小，其值分别为0.60、0.10和0.60；通过最陡爬坡试验和响应面分析，确定了饲料油菜茎秆颗粒间静摩擦因数、滚动摩擦因数和饲料油菜茎秆-钢静摩擦因数的取值范围，建立了颗粒休止角的回归模型，以实测休止角与仿真试验休止角之间相对误差最小进行响应面分析和优化求解，确定其参数值分别为0.36、0.03和0.23。在接触参数最优组合条件下，根据回归模型计算得出的休止角理论值与实测值误差为2.15%，仿真试验得出休止角模拟值与实测值误差为1.83%，表明标定方法正确，标定参数准确。研究可为饲料油菜机械化收获过程的离散元仿真分析提供基本参数。     

燕麦和箭筈豌豆混合种子离散元模型参数标定与试验

为了更好地应用离散元法研究燕麦和箭筈豌豆种子的混播过程,提高种子离散元模型的准确性,结合实际试验和仿真试验对仿真参数进行了标定。通过抽样分别测量了燕麦和箭筈豌豆种子的本征参数,并建立了种子离散元模型。采用碰撞试验、斜面滑动试验和斜面滚动试验,分别对燕麦种子和箭筈豌豆种子与ABS塑料板间的碰撞恢复系数、静摩擦因数及滚动摩擦因数进行了标定,得到燕麦和箭筈豌豆种子与ABS塑料板间的碰撞恢复系数分别为0.441、0.435,静摩擦因数分别为0.506、0.454,滚动摩擦因数分别为0.059、0.047。基于堆积试验,利用最陡爬坡试验和二次回归正交旋转组合试验方法,以混合种子堆积角的EDEM仿真值与实际值的相对误差为指标,确定种间碰撞恢复系数、静摩擦因数、滚动摩擦因数分别为0.320、0.327、0.042。利用螺旋排种装置对标定结果进行了验证,得到仿真试验与实际试验的混合种子质量流率平均相对误差为1.76%,燕麦和箭筈豌豆种子的排种质量比平均相对误差为2.03%,验证了仿真试验的可靠性,标定的结果可用于燕麦和箭筈豌豆种子混播过程的离散元仿真试验。     

桑园土壤非等径颗粒离散元仿真模型参数标定与试验

为获取土壤离散元仿真模型的土壤颗粒物理参数和接触参数,本文采用试验与仿真相结合的方法,以桑园土壤为例,对土壤颗粒的接触参数进行了仿真标定。首先利用粉体仪、斜面仪、等应变直剪仪等,分析了试验地不同深度土壤的粒径分布,测量了试验地不同深度土壤休止角、滑动摩擦角、剪应力、内聚力、内摩擦角;然后,根据实测土壤粒径分布,利用EDEM软件建立了非等直径土壤球形颗粒模型。在此基础上,以土壤颗粒间及土壤与65Mn钢间的静摩擦因数、滚动摩擦因数、恢复系数为试验因素,土壤休止角、土壤-65Mn钢滑动摩擦角为目标值,建立了基于中心组合试验设计（CCD）方案,并利用Design-Expert软件对仿真试验结果进行了分析,得到了仿真标定的土壤-土壤间静摩擦因数、滚动摩擦因数和恢复系数的最优值分别为0.89、0.45和0.43;标定的土壤-65Mn钢间静摩擦因数、滚动摩擦因数和恢复系数的最优值分别为1.15、0.05和0.4。利用以上标定的最优参数对桑园土壤进行了休止角与滑动摩擦角仿真试验,试验结果表明,休止角仿真值与试验值相对误差为1.69%,土壤-65Mn钢的滑动摩擦角仿真值与试验值相对误差为2.88%。在此...     

颗粒肥料离散元仿真摩擦因数标定方法研究

对分体圆筒法、倾斜法、抽板法和斜面法4种颗粒特性测试方法进行Plackett-Burman多因素显著性筛选试验,试验方差分析结果表明,不同的测试方法影响测量结果的显著因素与因素显著程度。根据分体圆筒法、倾斜法和斜面法的方差分析结果,提出一种基于颗粒物料整体特性的摩擦因数标定方法,将仿真试验与真实试验相结合,依次标定出尿素颗粒与PVC材料间静摩擦因数为0. 41,颗粒间静摩擦因数为0. 36,颗粒间滚动摩擦因数为0. 15。将所标定的摩擦因数采用无底圆筒法进行验证试验,休止角仿真试验结果为30. 57°,真实试验结果为31. 74°,相对误差为3. 69%,不同含水率下的实际试验休止角与所标定摩擦因数下的仿真休止角相对误差均不大于4. 59%,仿真试验结果与真实试验结果无显著差异,验证了所标定摩擦因数的有效性。本方法可用于其他颗粒状物料间摩擦因数的标定试验。     

基于堆积试验的包衣胡萝卜种子离散元参数标定

在农业、食品和制药等行业中,颗粒包衣是常见的工艺,胡萝卜机械化播种中也常采用包衣种子。因此,了解包衣种子的物性参数对播种机设计和优化,需要分析颗粒的运动特性。目前,研究者通常采用离散元法来模拟颗粒运动,但其准确度取决于模拟时使用的颗粒离散元参数,且颗粒离散元参数一般很难直接获得,需要对其进行标定。为标定包衣胡萝卜种子的离散元参数,参考玉米、小麦等种子的参数标定过程,以堆积休止角为响应值,采用不同参数组合进行仿真,并与试验结果对比来寻找最优参数,是一种基于堆积试验的离散元参数标定方法。首先,采用Plackett-Burman试验对包衣胡萝卜种子离散元参数进行显著性检验,筛选出对休止角有显著影响的参数;然后,根据最陡爬坡试验确定显著因素的最佳水平范围;最后,采用三因素五水平二次回归正交旋转组合试验寻找最佳参数组合并通过仿真与试验进行对比验证。试验表明:胡萝卜种子-胡萝卜种子静摩擦因数、胡萝卜种子-铝板静摩擦因数、胡萝卜种子-胡萝卜种子滚动摩擦因数对休止角有显著影响,离散元参数最佳组合为:胡萝卜种子-胡萝卜种子静摩擦因数为0.35,胡萝卜种子-铝板静摩擦因数为0.42,胡萝卜种子-胡萝卜种子...     

基于RSM和GA-BP-GA优化的油茶籽仿真参数标定

采用逆向工程技术,在EDEM软件中建立了油茶籽离散元模型;通过物理试验测得油茶籽堆积角为(27.93±1.46)°,以及密度、碰撞恢复系数和油茶籽-钢板间静摩擦因数的参数区间,采用Plackett-Burman Design和最陡爬坡试验筛选显著性因素;以堆积角为响应值,采用响应面(RSM)和机器学习对显著性参数进行优化和对比。结果显示,基于遗传算法(GA)的BP人工神经网络的预测能力与稳定性优于随机森林、支持向量机和BP人工神经网络;采用GA寻优得到油茶籽-油茶籽间静摩擦因数为0.443、油茶籽-钢板间静摩擦因数为0.319、油茶籽-油茶籽间滚动摩擦因数为0.063,测得仿真堆积角为27.63°,与实际堆积角的相对误差为1.09%;采用RSM得到油茶籽-油茶籽间静摩擦因数为0.383、油茶籽-钢板间静摩擦因数为0.335、油茶籽-油茶籽间滚动摩擦因数为0.064,测得仿真堆积角为26.99°,相对误差为3.33%。研究结果表明,在油茶籽参数标定中,GA-BP-GA的参数优化效果优于RSM,并且该研究所建油茶籽模型与参数标定结果可用于离散元仿真。     

基于离散元的赤芍移栽接触参数标定

为确定赤芍在移栽过程中的仿真参数以进行离散元仿真试验,以物理试验测量土壤堆积角为基础,选取土壤间的静摩擦因数、滚动摩擦因数、碰撞恢复系数以及土壤的表面能作为试验因素,以土壤堆积角为试验指标,进行四因素三水平离散元仿真试验设计,建立了土壤接触参数与堆积角的回归模型。以实际堆积角值为目标进行了回归模型参数优化。通过实际物理试验完成了赤芍与土壤间的静摩擦系数、碰撞恢复系数、滚动摩擦系数以及碰撞恢复系数的标定。试验结果表明,土壤接触参数近似组合为碰撞恢复系数为0.223、静摩擦因数为0.630、滚动摩擦因数为0.373、土壤表面能为0.340 J/m³,该组合离散元仿真所得土壤堆积角为31.57°,与实际测量结果误差仅为1.2%。赤芍与土壤接触参数为：碰撞恢复系数为0.25、静摩擦因数为0.84、滚动摩擦因数为0.37。研究结果可以为后期移栽离散元仿真分析奠定基础。     

基于EDEMpy的枸杞离散元仿真参数标定与试验

为探究枸杞离散元仿真边界参数的最优组合,提高离散单元仿真方法研究枸杞与采收机械作用机理的准确性,提升后续枸杞机械采收设备的研发效率及机械作业性能,选取EDEM中“Hertz-Mindlin with Johnson-Kendall-Roberts”凝聚力接触模型,通过物理试验测量枸杞堆积角、枸杞-钢板静摩擦因数、枸杞-钢板碰撞恢复系数。在物理试验的基础上,采用基于EDEMpy的仿真试验方法对枸杞的接触参数进行试验研究,以枸杞颗粒的静摩擦因数、滚动摩擦因数、碰撞恢复系数、表面能JKR为影响因素,以堆积角为目标进行多因素试验,并建立回归模型。试验结果表明：对枸杞仿真堆积角影响显著的参数为枸杞-枸杞静摩擦因数、枸杞-枸杞滚动摩擦因数、表面能JKR。以实际堆积角为目标值,对回归模型进行优化分析,得到显著性参数最优组合值分别为：枸杞-枸杞静摩擦因数0.506,枸杞-枸杞滚动摩擦因数0.064,表面能JKR0.048,该组合下的仿真堆积角平均值为28.82°,与实际堆积角的偏差小于4%,边界参数标定结果可靠。研究结果可为枸杞离散元模型边界参数的选取提供参考。     

基于堆积试验的针形茶叶离散元仿真参数标定

针对针形茶叶在理条机加工过程中离散元仿真缺少准确的模型参数,导致茶叶理条机离散元仿真过程中易出现失真问题,以单芽茶叶颗粒为研究对象,基于切片技术的近似法建立颗粒模型,采用离散元仿真与漏斗注入法堆积试验相结合的方法,对其仿真参数进行标定。以茶叶颗粒的休止角为响应值,设计Plackett-Burman试验得到对茶叶颗粒休止角有显著性影响的参数：茶叶颗粒间碰撞恢复系数、茶叶颗粒间静摩擦系数和茶叶颗粒间滚动摩擦系数;以仿真试验休止角和实际堆积试验休止角之间的相对误差为目标,进行最陡爬坡试验确定显著性参数的最优值范围,并通过Box-Behnken试验建立茶叶颗粒休止角与显著性参数之间的二次多项式方程,利用Design-Expert软件优化模块得出显著性参数最优值：茶叶颗粒间碰撞恢复系数0.28、茶叶颗粒间静摩擦系数0.15、茶叶颗粒间滚动摩擦系数0.10;并对标定的结果进行离散元仿真验证,结果表明：仿真得到的茶叶颗粒休止角均值为19.52°,与实际茶叶颗粒休止角20.23°相比,相对误差为3.51%,说明此参数标定结果合理有效。为茶叶理条机的优化设计及茶叶加工数值模拟过程提供一定的理论参考。     

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。     

茎瘤芥种子离散元模型参数标定

为解决茎瘤芥种子离散元模拟中缺乏准确仿真参数的问题,通过直接测量和虚拟标定方法确定“涪杂2号”茎瘤芥种子离散元参数。利用数显游标卡尺、电子秤等物理机械特性测定工具,得到茎瘤芥种子的三轴尺寸、等效半径、千粒重和密度;通过斜面碰撞法、三点滑动法和斜面法分别得到茎瘤芥种子与有机玻璃之间的恢复系数、静摩擦系数和滚动摩擦系数分别为0.561、0.420、0.155;采用旋转鼓试验和圆筒提升试验结合MATLAB图像处理技术获得茎瘤芥种子的动态堆积角和静态堆积角分别为35.235 2°和14.483 0°。基于Plackett Burman试验筛选出对动态堆积角和静态堆积角影响显著的参数因子均为种子与种子间的滚动摩擦系数、种子与种子间的静摩擦系数;通过中心复合设计分别获得显著性因子与动态堆积角、静态堆积角的二次回归方程,并以动态堆积角和静态堆积角的实测值为目标,基于回归模型对因子参数组合进行优化,得到两组种子与种子间的静摩擦系数、种子与种子间的滚动摩擦系数最优参数组合为0.666 1、0.023 7以及0.341 6、0.036 0。对两组最优参数组合进行仿真验证,结果显示两组参数组合下动态堆积角、静态堆积角的仿真值与实测值相对误差分别为0.477%、3.590%和1.820%、4.950%。结果表明,仿真中种子与种子间的静摩擦系数、种子与种子间的滚动摩擦系数分别为0.666 1、0.023 7时,更符合茎瘤芥种子实际的物理特性。本研究能为茎瘤芥播种过程及相关装置设计优化提供参考。     

全膜双垄沟覆膜土壤离散元接触参数仿真标定

为进一步提升基于离散元法对全膜双垄沟机械化覆土作业过程研究的准确性,结合EDEM软件进行覆膜土壤摩擦角(土壤休止角及其与钢滑动摩擦角)离散元仿真试验。通过三因素三水平正交组合试验,得出各接触参数对土壤休止角、土壤与钢滑动摩擦角的影响显著性顺序。分别建立了各关键接触参数与土壤休止角、土壤与钢滑动摩擦角的二次多项式回归模型,以自制试验装置测定结果作为优化的目标值,获得全膜双垄沟覆膜土壤离散元最优接触参数组合为:土壤与土壤静摩擦因数0. 68、土壤与土壤滚动摩擦因数0. 27、土壤与土壤恢复系数0. 21、土壤与钢静摩擦因数0. 31、土壤与钢滚动摩擦因数0. 13和土壤与钢恢复系数0. 54。为验证所标定全膜双垄沟覆膜土壤接触参数的可靠性,对模拟仿真与实际试验的土壤休止角、土壤与钢滑动摩擦角进行了对比分析,两者相对误差分别为2. 6%和3. 1%;同时应用离散元法进行全膜双垄沟覆土装置在覆膜土壤颗粒最优标定参数组合设置下的种床覆土过程仿真模拟,通过与实际作业效果对比,仿真结果与田间试验工况基本一致,验证了仿真试验与建立回归模型的有效性。     

羌活籽粒和珍珠岩的离散元参数标定及排种验证

为确定羌活种子排种器离散元仿真所需的物性参数，对羌活籽粒和珍珠岩进行物性参数测量及标定。采用斜面法测量静摩擦系数，用自由跌落法测量碰撞恢复系数，用圆筒提升法测量堆积角，通过EDEM仿真对比堆积角大小，确定滚动摩擦系数，通过对比仿真试验与田间试验的结果，确定测定参数的准确性。羌活籽粒的密度为160 kg/m3，珍珠岩密度为150 kg/m3；羌活籽粒的泊松比为0.32，珍珠岩的泊松比为0.2；羌活籽粒的剪切模量为30 MPa，珍珠岩的剪切模量为38.5 MPa；羌活籽粒与ABS塑料板的静摩擦系数为0.62，珍珠岩与ABS塑料板的静摩擦系数为0.78，羌活籽粒间的静摩擦系数为0.51，珍珠岩间的静摩擦系数0.91，羌活籽粒对珍珠岩的静摩擦系数为0.72；羌活籽粒与ABS塑料板的碰撞恢复系数为0.39，珍珠岩与ABS塑料板的碰撞恢复系数为0.28，羌活籽粒间的碰撞恢复系数为0.31，珍珠岩间的碰撞恢复系数为0.14，羌活籽粒对珍珠岩的碰撞恢复系数为0.32，珍珠岩对羌活籽粒的碰撞恢复系数为0.26；羌活籽粒的滚动摩擦系数为0.043，珍珠岩的滚动摩擦系数为0.097，珍珠岩与羌活籽粒之间的滚动摩擦系数为0.037；仿真试验与田间试验的排种结果曲线基本一致，平均相对误差分别为5.6%和3.8%，表明测定的物性参数具有可靠性。本研究为羌活籽粒和珍珠岩的离散元仿真提供理论参考，为羌活播种机的设计优化提供理论参考。     

桑园土壤非等径颗粒离散元仿真模型参数标定与试验

为获取土壤离散元仿真模型的土壤颗粒物理参数和接触参数,本文采用试验与仿真相结合的方法,以桑园土壤为例,对土壤颗粒的接触参数进行了仿真标定。首先利用粉体仪、斜面仪、等应变直剪仪等,分析了试验地不同深度土壤的粒径分布,测量了试验地不同深度土壤休止角、滑动摩擦角、剪应力、内聚力、内摩擦角;然后,根据实测土壤粒径分布,利用EDEM软件建立了非等直径土壤球形颗粒模型。在此基础上,以土壤颗粒间及土壤与65Mn钢间的静摩擦因数、滚动摩擦因数、恢复系数为试验因素,土壤休止角、土壤-65Mn钢滑动摩擦角为目标值,建立了基于中心组合试验设计（CCD）方案,并利用Design-Expert软件对仿真试验结果进行了分析,得到了仿真标定的土壤-土壤间静摩擦因数、滚动摩擦因数和恢复系数的最优值分别为0.89、0.45和0.43;标定的土壤-65Mn钢间静摩擦因数、滚动摩擦因数和恢复系数的最优值分别为1.15、0.05和0.4。利用以上标定的最优参数对桑园土壤进行了休止角与滑动摩擦角仿真试验,试验结果表明,休止角仿真值与试验值相对误差为1.69%,土壤-65Mn钢的滑动摩擦角仿真值与试验值相对误差为2.88%。在此基础上,依据实测的土壤剪应力,采用试错法,以实测土壤内摩擦角为目标值,优化标定了土壤-土壤颗粒Hertz-Mindlin with Bonding接触模型中的粘结参数,标定法向粘结刚度、切向粘结刚度分别为1×108、5×107N/m3,临界法向应力和临界切向应力均为10kPa,接触半径为1.1倍颗粒半径,直剪仿真得到内摩擦角为30.24°,仿真值与直剪试验内摩擦角平均值相对误差为5.53%。本文提出的土壤颗粒建模方法、标定方法及其所标定的参数值,可用于砂质壤土桑园耕作机械触土部件与土壤相互作用的离散元仿真分析及其结构优化。     

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...     

基于EDEM的青稞接触参数仿真标定

针对青稞品种多样,且部分接触参数难以直接测量的问题,本研究以青稞的休止角为响应值,对青稞的接触参数进行标定。采用响应面法:通过Plackett-Burman试验对青稞的8个离散元仿真参数进行筛选,得到对青稞休止角有显著性影响的三个因素:青稞—青稞的静摩擦系数、青稞—青稞的滚动摩擦系数、青稞—pla平板的静摩擦因数;通过最陡爬坡试验确定三个显著因素的最优取值范围;在此基础上进行Box-Behnken试验,建立休止角与显著性参数的二阶回归模型,并对方程进行优化,求得显著性参数的最优参数值:青稞—青稞的静摩擦系数0.19、青稞—青稞的滚动摩擦系数0.01、青稞与pla平板的静摩擦因数0.43。最后进行仿真验证试验,结果表明仿真试验所得休止角与实际休止角值误差为0.64%,误差很小表明仿真标定的参数是可信的,可以为今后的青稞排种器的研究提供参考。