马铃薯种薯机械排种离散元仿真模型参数确定及验证

为方便利用离散单元法优化勺链式马铃薯排种装置的排种性能,该文通过试验、参考文献测定和计算了马铃薯基本物理参数(密度、弹性模量、泊松比和恢复系数);利用自制的马铃薯静摩擦系数测定装置测定了种薯间、种薯与钢板、种薯与塑料之间的静摩擦系数分别为0.452、0.445和0.517;通过斜面法测定种薯与钢板、塑料的动摩擦系数分别为0.269、0.303。由于通过颗粒堆积法建立的种薯在外形尺寸和质心上与实际薯有一定误差,因此,以种薯堆积角为目标值,通过改变仿真种薯模型的动摩擦系数建立回归模型,预测的种薯间动摩擦系数为0.024;为检验所确定种薯仿真模型参数的可靠性,通过切片造型法构建马铃薯种薯(球形、椭球、不规则)模型,采用确定的参数进行马铃薯堆积角仿真试验,并与试验堆积角进行了对比,结果表明马铃薯仿真与试验堆积角相对误差为1.33%;以勺链式马铃薯排种装置为研究对象,对比仿真和台架试验排种性能指标结果表明,马铃薯仿真与试验相对误差为9.16%,空种率相对误差为6.20%,其相对误差均小于10%;仿真与试验重播率、空种率满足GB/T 6242-2006《种植机械马铃薯种植机试验方法》技术要求。     

葡萄藤防寒土与清土部件相互作用的离散元仿真参数标定

为系统地研究中国北方地区沙壤土质地的葡萄藤防寒土及其与清土机清土部件常用材料(Q235钢、橡胶)相互作用的离散元仿真参数,以构建准确的土壤离散元仿真模型,该文选用整合延迟弹性模型(hysteretic spring contact model,HSCM)和线性粘附模型(liner cohesion model,LCM)作为土壤颗粒间的接触模型;基于土壤堆积试验,以土壤颗粒间恢复系数、静摩擦系数、滚动摩擦系数和土壤粘附能量密度为因素,以土壤堆积角为指标,利用EDEM进行通用旋转中心组合模拟试验,采用Design-Expert软件对试验数据进行回归分析,以实测的土壤堆积角作为优化目标值,获得土壤颗粒间的最佳接触参数组合;利用土壤屈服试验获得HSCM模型参数;基于斜面滑动法原理,利用倾斜板试验台测得土壤与Q235钢和橡胶之间的静摩擦系数,并以此为基础,采用土壤滑落试验,以滑动摩擦角为响应值,对土壤颗粒与Q235钢和橡胶之间的恢复系数和滚动摩擦系数进行寻优,得到最优解参数组合。为验证标定优化的离散元模型参数的准确性,采用刮土板土槽试验和仿真试验进行对比分析,获得刮土板在土槽试验和仿真试验中的水平前进阻力分别为228.36 N和213.79 N,两者之间的相对误差为6.38%,表明仿真模型中土壤的物理力学特性与实际土壤基本一致,验证了葡萄藤防寒土离散元仿真参数标定结果和研究方法准确可靠。研究结果可为基于离散元法研制适用于北方地区沙壤土质地的葡萄藤防寒土清土机提供理论基础和技术支撑。     

新疆棉田耕后土壤模型离散元参数标定

为提高耕后分层施肥开沟覆土过程离散元仿真模拟的准确性,采用EDEM离散元软件对分层施肥作业土壤的堆积和滑落过程进行仿真模拟,来标定土壤接触参数。通过通用旋转中心组合试验,采用 Design-Expert 软件对试验数据进行回归分析,以实测土壤休止角、土壤与65 Mn钢滑动摩擦角为优化目标,获得最优的离散元接触参数组合为：土壤间恢复系数0.48、土壤间滚动摩擦系数0.56、土壤间静摩擦系数0.24、土壤与65 Mn钢间恢复系数0.5、土壤与65 Mn钢间滚动摩擦系数0.1、土壤与65 Mn钢间静摩擦系数0.31。为验证标定优化的离散元模型参数的准确性,对土壤堆积试验和滑落试验进行仿真试验与实际试验对比,两者相对误差分别为1.7%和2.5%;并在最优标定参数组合条件下,采用离散法仿真模拟分层施肥装置的开沟覆土过程,获得分层施肥装置5、6和7 km/h作业速度下,仿真试验和田间试验的工作阻力相对误差分别为10.2%、7.95%、7.04%,误差在可接受范围内。仿真试验和田间试验开沟覆土效果基本一致,验证了土壤参数标定的准确可靠,可为后期分层施肥装置减阻研究提供理论基础和技术支持。     

联合收获油菜脱出物离散元仿真参数标定与试验

针对油菜联合收获清选装置气固耦合仿真分析中缺乏准确可靠的离散元仿真参数的问题,该研究以宜收获时的联合收获油菜脱出物为对象,基于颗粒离散元法的EDEM仿真软件对主要组分接触参数进行标定。开展了油菜茎秆径向单轴平板全压缩试验,测量分析了油菜茎秆泊松比、弹性模量等特征参数;通过斜面法和自由跌落试验测定了籽粒、茎秆、荚壳和钢板间静摩擦系数及碰撞恢复系数,确定了颗粒模型接触参数取值范围。以茎秆堆积角为试验指标,通过基于EDEM 的Plackett-Burman试验筛选出对茎秆堆积角有显著影响的参数,开展了最陡爬坡试验确定了显著性参数最优取值范围,进一步通过Box-Behnken试验建立了显著性参数与茎秆堆积角的二阶回归模型,优化得出了茎秆接触参数最佳组合。标定结果表明：显著性参数最优组合为茎秆-茎秆静摩擦系数0.707、茎秆-茎秆动摩擦系数0.015和茎秆-钢板动摩擦系数0.012,在接触参数最优组合条件下,茎秆仿真堆积角与实际堆积角相对误差为0.54%。在标定参数组合下,基于DEM-CFD开展了油菜联合收获旋风分离清选装置气固耦合分析,并进行了台架验证试验,仿真试验结果表明：旋风分离清选清洁率为94.42%,损失率为3.96%,与台架试验相对误差分别为2.81%和7.48%,验证了标定参数的可靠性,可为油菜联合收获离散元仿真分析提供基础接触参数。     

不同含水率黏重黑土与触土部件互作的离散元仿真参数标定

为了获得可用于东北地区黏重黑土与触土部件相互作用的离散元仿真模拟参数,该文利用EDEM中Hertz-Mindlin with JKR Cohesion接触模型对不同含水率的东北地区黏重黑土进行相关参数标定,针对含水率在10%～20%的实际作业环境,分别配置含水率为12.46%±1%和17.15%±1%的2种黏重黑土,以土壤颗粒间的滚动摩擦系数、恢复系数、表面能参数及静摩擦系数为标定对象,并以土壤颗粒的仿真堆积角为响应值,基于Box-Behnken的响应面优化方法得到堆积角回归模型,并对回归模型进行寻优,得到2种含水率的模型参数优化解,并给出了模型参数范围。测定了4种含水率下黏重黑土对3种触土部件材料(65Mn、UHMW-PE和PTFE)的静摩擦系数,并以此为基础分别对65Mn(典型铁基材料)和PTFE(典型低表面能材料)板进行斜面试验,以含水率为17.15%±1%的黏重黑土为试验对象,分别搭建斜面物理试验平台和仿真模型,以土壤颗粒与触土部件材料之间的滚动摩擦系数、恢复系数、表面能参数及静摩擦系数为标定对象,以仿真得到的土球在65Mn和PTFE板上的滚动距离为响应值,基于响应面优化法得到滚动距离回归模型,以实测的滚动距离为目标对回归模型进行寻优,得到黏重黑土对2类典型触土部件材料接触模型参数的优化解。研究结果表明,标定优化后的土壤模型能够近似代替真实的东北地区黏重黑土进行仿真,可利用标定后的参数进行黏重黑土与触土部件间的离散元仿真,可为东北黏重黑土作业条件下的农业机械触土部件仿生减阻设计与优化提供基础数据。     

胡麻籽粒离散元仿真参数标定与排种试验验证

为借助离散单元法优化胡麻机械化生产装备提供胡麻基本参数,该文对甘肃省普遍种植的定亚22号、陇亚10号、陇亚13号3种胡麻籽粒通过试验法测定了胡麻籽粒的基本物理参数（3个方向尺寸、质量密度、体积密度、泊松比、千粒重、含水率、弹性模量）和接触力学参数（恢复系数、静摩擦系数）;通过调整胡麻模型的滚动摩擦系数条件下形成的胡麻堆积角逼近胡麻实际堆积角方法,预测胡麻滚动摩擦系数。结果表明：定亚22号胡麻滚动摩擦系数为0.041 5、陇亚10号为0.042 5、陇亚13号为0.042 0。探讨了胡麻堆积角形成过程中滚动摩擦系数对胡麻与底板接触数量、胡麻动能和重力势能影响变化规律,结果表明：随着滚动摩擦系数的减少,胡麻与底板的接触数量增加,胡麻种群的转动动能呈先增加后减小的变化趋势;减小胡麻滚动摩擦系数,其转动动能增加。通过设计的异型窝眼轮排种仿真和大田试验可知,胡麻平均穴粒数为9.5粒,标准差为1.5粒;大田试验的平均穴粒数为9粒,标准差为1粒。仿真和试验结果的穴粒数平均值的相对误差为5.26%,基本满足西北旱区胡麻播种机械设计参数优化需求。     

油葵籽粒离散元参数标定与试验验证

针对采用离散元法对油葵播种、收获等关键工作过程仿真分析时,油葵籽粒本征参数、油葵籽粒与油葵机械化种植及收获装备间接触参数缺乏问题,该研究以油葵籽粒为研究对象,利用三维扫描逆向建模技术与EDEM软件建立油葵籽粒离散元模型,通过物理试验与虚拟仿真试验对仿真参数进行标定。采用绝对原点数显卡尺、电子分析天平、万能材料拉压力试验机等测定了矮大头567油葵籽粒的三维几何尺寸、密度、含水率、泊松比、弹性模量、剪切模量和静摩擦系数;采用圆筒提升法进行油葵籽粒物理堆积试验,利用MATLAB对堆积图像进行处理获得物理堆积试验油葵籽粒的堆积角为48.858°。以堆积角为评价指标,利用Plackett-Burman试验、最陡爬坡试验筛选出对堆积角影响显著的因子及取值范围;通过响应面寻优试验结果的方差分析和寻优计算,确定了油葵籽粒间静摩擦系数与动摩擦系数的较优组合为0.41、0.05。以较优参数组合进行仿真堆积试验,测得堆积角为48.976°,与物理堆积试验得到的堆积角误差为0.24%;进行电磁料斗振动物理试验与仿真试验对标定结果进行验证,得到不同工作电压下油葵籽粒物理试验与仿真试验的质量流率曲线,2条曲线相关系数为0.998,变化趋势基本一致。研究结果表明,油葵籽粒模型和标定所得的离散元仿真参数具有可靠性,可为油葵籽粒离散元仿真研究提供参考。     

基于离散元的玉米种子颗粒模型种间接触参数标定

由于EDEM(离散元法)中建立的玉米种子颗粒模型与实际玉米种子在外形、表面粗糙度等方面存在差异,若直接将实际测量的物性参数引入EDEM中进行仿真,会出现仿真失真的情况。针对此问题,该文提出一种建立数学回归模型主动寻找目标参数的方法,简化标定过程,将仿真试验和真实试验相结合,对玉米种子颗粒模型的种间静摩擦系数和滚动摩擦系数两个关键参数进行标定,使其在EDEM中建立的玉米种子颗粒重新获得与真实颗粒相近的物理特性。利用两种接触材料(有机玻璃板与铝质圆筒)进行玉米种子堆积角仿真试验,建立两个自变量为种间静摩擦系数、种间滚动摩擦系数的二元回归方程。以实际测量种群堆积角作为已知目标量进行数值求解,求得EDEM中玉米种间静摩擦系数和滚动摩擦系数这两个目标参数:玉米种间静摩擦系数为0.0338,玉米种间滚动摩擦系数为0.0021。将标定的玉米种子物性参数输入EDEM中进行仿真试验,通过提取关键特征尺寸和图像边界将试验结果与实际试验结果进行对比,结果表明:关键特征尺寸数值差异在4.70%以内,标定后的玉米种子堆积角边界与实际情况更接近,提高了仿真结果的可靠性。     

海南热区砖红壤颗粒离散元仿真模型参数标定

为获取适用于海南热区砖红壤与触土部件相互作用的离散元仿真模型参数,该文利用EDEM仿真软件中Hertz-Mindlin with JKR接触模型对海南地区砖红壤进行相关模型参数标定,首先以含水率为7.8%、实际休止角为32.35°的砖红壤为研究对象,以物理试验获取的砖红壤-砖红壤、砖红壤-触土部件间恢复系数、静摩擦系数及滚动摩擦系数为标定对象,应用Plackett-Burman设计试验筛选出对休止角有显著影响的参数:即砖红壤-砖红壤滚动摩擦系数、JKR表面能、砖红壤-28MnB5板滚动摩擦系数、砖红壤-砖红壤恢复系数。进一步以砖红壤颗粒休止角为响应值,基于Box-Behnken设计试验得到休止角与显著性参数的二阶回归模型,并以实际休止角为目标,针对显著性参数进行寻优,得到最佳组合:砖红壤-砖红壤滚动摩擦系数为0.07、砖红壤-28MnB5板滚动摩擦系数为0.24、砖红壤-砖红壤恢复系数为0.4、JKR表面能为4.31J/m^2。最后在标定的参数下进行休止角与破土阻力离散元仿真验证试验,对比计算得出仿真休止角与实测休止角相对误差为0.62%,仿真破土阻力与实测破土阻力相对误差为3.43%,并通过对比分析两次试验中破土阻力变化曲线的拟合情况,得出两曲线间的可决系数R2=0.993 9,均方根误差RMSE=0.017 7,该结果表明标定所得相关参数可用作海南热区砖红壤离散元仿真。     

土壤-水稻前茬离散元仿真参数标定及其旋耕轨迹分析

在进行稻油轮作区域水稻收获后旋耕作业中的前茬运动、受力仿真分析时,由于缺乏可靠的离散元仿真参数难以准确计算土壤-水稻前茬运动规律和相互间受力。该研究采用EDEM软件对土壤-水稻前茬混合物内部各物质的物理与接触参数进行离散元仿真标定。首先测定了土壤-水稻前茬混合物内各物质物理与相互间接触参数,以堆积角作为评价指标,利用仿真试验分析进行了显著因素筛选、最优水平取值范围确定及二阶回归模型下最佳参数寻优对参数进行了标定,得到土壤-水稻前茬混合物模型极显著参数的最优组合为土壤-土壤恢复系数0.407、土壤-土壤动摩擦系数0.123、土壤-水稻前茬静摩擦系数0.596、土壤表面能1.860 J,此时与试验堆积角误差为0.58%。并进行了土壤-水稻前茬间的直剪试验与仿真,得到了稳定后不同垂直应力下试验与仿真的直剪切应力误差分别为：5.4%（50 kPa）,4.1%（100 kPa）,3.1%（150 kPa）。最后在最优参数组合下,开展了基于MBD-DEM的旋耕土壤-水稻前茬轨迹分析试验,分析得到前茬跟随旋耕刀及直接被掩埋两种埋覆场景,仿真与土槽试验轨迹的Spearman秩相关系数分别为0.91,0.84,验证了仿真模型标定参数的准确性。研究结果可为水稻前茬旋耕轨迹调控过程的离散元仿真分析提供可靠的接触参数。     

基于堆积试验的黏壤土仿真物理参数标定

为获取南方黏壤土的离散元仿真模型精准接触参数,构建土壤离散元仿真模型,基于土壤堆积试验,结合试验测定和EDEM软件推荐的参数构建土壤仿真模型,以休止角为响应值,采用Design Expert软件依次设计Plackett-Burman试验、最陡爬坡试验和Box-Behnken试验完成土壤仿真物理参数标定及优化。进一步通过成穴装置成穴的仿真试验与土槽试验的对比分析,验证黏壤土仿真模型的精准性。成穴试验的仿真与土槽试验结果表明,装置在仿真土壤中运动规律与土槽试验中差异较小,成型穴孔的开口纵长和有效深度的误差分别为3.98%和1.87%,模拟仿真土壤的物理力学特性与实际土壤一致,表明黏壤土的离散元仿真参数系统标定研究的方法准确可行。研究构建了南方黏壤土精准的离散元仿真模型,为该类型土壤与触土部件相互作用的动力学研究提供技术支持。     

冰草种子物性参数测定与离散元仿真参数标定

为了提高冰草种子丸化包衣过程离散元仿真模拟试验所用参数的准确度，该研究通过物理试验和仿真试验相结合的方法对仿真参数进行标定。首先，采用物理试验的方法测定冰草种子的基本物性参数（外形尺寸、千粒重、密度、含水率、泊松比、弹性模量和剪切模量）和接触参数（静摩擦系数、滚动摩擦系数和碰撞恢复系数），参考物理试验测定结果选择仿真试验参数取值范围，采用Plackett-Burman试验对仿真参数进行显著性筛选，筛选试验结果表明：冰草种子-冰草种子静摩擦系数、滚动摩擦系数、碰撞恢复系数对仿真试验休止角有显著性影响。进一步通过最陡爬坡试验确定3个显著性参数最优取值范围，并根据Box-Behnken设计试验得到显著性参数与休止角的二阶回归模型，以物理试验实测的休止角30.54°为优化目标值获得最优参数组合：冰草种子-冰草种子静摩擦系数为0.57、冰草种子-冰草种子滚动摩擦系数为0.74、冰草种子-冰草种子碰撞恢复系数为0.54。最后对物理试验休止角和仿真试验休止角进行双样本T检验得出P>0.05，结果表明仿真得到的休止角与物理试验值无显著性差异，且最优参数组合下仿真试验休止角结果30.86°与物理试验休止角结果30.54°的相对误差为1.037%，进一步验证了仿真试验的可靠性。研究结果表明标定所得的最优参数可用于冰草种子丸化包衣过程的离散元仿真试验。     

油菜机直播微垄种床制备过程旋耕后土壤离散元参数标定

针对油菜直播机微垄种床制备过程离散元仿真缺乏旋耕后土壤颗粒模型、无有效接触参数、数值模拟不准确等问题，该研究开展了旋耕后土壤离散元接触参数标定与试验。基于土壤塑限，确定接仿真触模型为Hertze-Mindlin（no slip），根据油菜直播机旋耕后的土样信息，利用EinScan-Pro三维扫描仪和EDEM颗粒填充功能，重建土壤颗粒并生成考虑颗粒形状和不同粒径质量占比的离散元颗粒模型；以堆积角为目标，通过二水平析因试验分析静摩擦、滚动摩擦、碰撞恢复系数的显著性，对显著因素进行最陡爬坡试验缩小求解范围，再通过二次正交旋转回归试验求解较优参数组合为：碰撞恢复系数0.350，静摩擦系数0.351，滚动摩擦系数0.257。使用PIVlab工具和Trimble TX8三维激光扫描仪得到微垄种床制备装置田间作业时土块颗粒运动速度和作业后地貌，并与离散元仿真结果进行对比。结果表明：在微垄制备的贯入包络和成形回落阶段，土壤颗粒运动速度与仿真结果一致，最大误差为0.10 m/s；微垄距误差随腹板数量增加而增大，误差为8.25%，标定参数准确。研究结果可为油菜微垄种床制备机具触土部件机理探究和结构改进提供参考。     

基于堆积试验的小麦离散元参数分析及标定

为确定小麦离散元仿真参数,以真实试验及不同参数组合下仿真得到的小麦颗粒堆休止角为响应值,基于响应面优化标定了小麦离散元仿真参数。研究应用Plackett-Burman试验对8个初始参数进行筛选,发现小麦-小麦静摩擦系数、小麦-有机板静摩擦系数以及小麦-小麦滚动摩擦系数对颗粒堆休止角影响显著。在通过最陡爬坡试验确定显著性参数最优值区间的基础上,根据Box-Behnken试验结果建立了休止角与显著性参数的二阶回归模型并对其进行优化,得到显著性参数的最佳组合为:小麦-小麦静摩擦系数0.58、小麦-有机板静摩擦系数0.61、小麦-小麦滚动摩擦系数0.08。最后将最佳参数组合下仿真得到的休止角与真实试验值进行对比验证,发现二者无显著性差异(P0.05),表明应用响应面优化标定小麦离散元仿真中所需的参数是可行的;同时,标定所得的最佳参数组合可为小麦离散元仿真参数的选取提供参考。     

基于颗粒缩放的小麦粉离散元参数标定

为获得小麦粉离散元仿真精确的接触参数,将不规则形状的小麦粉简化成软质球形颗粒,利用颗粒接触缩放原理和量纲分析进行颗粒缩放,将平均粒径0.212 mm的小麦粉放大至1.2 mm,选择"Hertz–Mindlin with JKR"接触模型,利用休止角对接触参数进行标定。首先通过Plackett-Burman试验筛选出对休止角影响显著的参数:表面能JKR(Johnson Kendall Roberts)、小麦粉-小麦粉滚动摩擦系数、小麦粉-不锈钢静摩擦系数;然后根据Box-Behnken试验建立并优化休止角与显著性参数的二阶回归模型,得到显著性参数的最佳组合为JKR为0.157、小麦粉-小麦粉滚动摩擦系数为0.25、小麦粉-不锈钢静摩擦系数为0.58;最后用标定参数仿真所得休止角大小与真实试验值进行对比,二者相对误差为0.61%。结果表明标定所得的接触参数可用于小麦粉放大颗粒的离散元仿真,为定量供送螺杆的设计提供参考。     

机收麻山药离散元模型构建及其仿真参数标定

由于麻山药收获过程缺乏有效数值模拟,在很大程度上阻碍了麻山药收获机的设计与优化。该文测定了麻山药的密度、长度、径向尺寸、抗压、抗弯及抗剪强度,基于离散元法建立了麻山药双峰分布模型,并对黏结参数进行校核;以土壤堆积角为响应值,对沙壤土基质间的碰撞恢复系数、静摩擦因数、滚动摩擦因数和表面能4个参数进行标定,建立了土壤堆积角与4个参数之间的回归模型并进行验证,标定了麻山药与钢板、沙壤土间的碰撞恢复系数、静摩擦因数和滚动摩擦因数。试验结果表明,麻山药双峰分布模型能够表征麻山药的力学特性,参数校核得到法向刚度、切向刚度、临界法向应力、临界切向应力及黏结半径分别为9.3×105 N/m、3.0×106 N/m、0.58 MPa、0.14 MPa、3.5 mm;沙壤土基质间的碰撞恢复系数、静摩擦因数、滚动摩擦因数及表面能分别为0.42、0.20、0.30、0.40 J/m3,离散元仿真试验后得到的土壤堆积角与试验结果平均误差为1.48%;麻山药与钢板之间的碰撞恢复系数、静摩擦因数及滚动摩擦因数分别为0.34、0.26、0.049,与沙壤土之间的碰撞恢复系数、静摩擦因数及滚动摩擦因数分别为0.21、0.38、0.075。研究结果可为麻山药机械化收获及产后加工等仿真试验提供一定的理论参考。