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。     

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。     

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。     

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。     

基于DEM-MBD耦合的铲板式滚动触土部件作业机理分析与试验

为探索土壤微形貌加工过程中从动型铲板式触土部件与土壤的互作机理,该研究基于离散元法（Discrete Element Method, DEM）与多体动力学（Multi-Body Dynamics, MBD）耦合算法建立铲板式滚动触土部件与土壤互作的离散元模型。通过EDEM-RecurDyn联合仿真探索滚动部件作业机理,以机具作业速度（0.6、1.0和1.4 m/s）为影响因素,求解机具作业所需水平牵引力与土壤微坑容积,并通过开展台架试验评价仿真模型准确性。耦合仿真结果表明：随机具作业速度的上升,x向水平牵引力和z向垂直力不断变大;机具在不同速度作业下的土壤表面形成的微坑容积分别为3 310.91、3 325.96和3 384.47 mL;根据土壤压缩力、颗粒流向及动能变化,阐释了铲板式滚动触土部件作业过程中土壤微形貌的形成机理。将台架试验与仿真求解结果进行对比,x方向水平牵引力相对误差分别为5.01%、4.58%、4.10%,土壤表面微坑容积误差分别为6.23%、7.09%、5.64%,各作业速度下仿真模型具有较好的准确性。该文所构DEM-MBD耦合模型可为探明铲板式滚动触土部件与土壤互作机理、机具几何结构优化、以及作业参数选择提供理论依据和技术参考。     

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。     

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。     

基于无侧限抗压强度试验的土壤离散元参数标定

为标定基于Edinburgh Elasto-Plastic Adhesion (EEPA)模型的土壤离散元参数,该研究通过单轴密闭压缩试验和无侧限抗压强度试验,以无侧限抗压强度σ_u为黏性指标,轴向应变ε_n为塑性指标,轴向压力-轴向应变曲线特征参数(a,b)为弹性指标,基于响应面标定了土壤离散元仿真参数。结合文献与实际情况确定参数试验范围,应用Plackett-Burman试验对7个初始参数进行筛选,发现塑性变行比λp和表面能Δγ对黏塑性指标影响显著。根据试验结果,进行2次Central Composite试验,建立σ_u、ε_n与黏塑性参数的二次回归模型和σ_u、ε_n、a、b与弹性参数二次回归模型,并以实测值为目标优化求解,获得的优化参数组合为:塑性变形比为0.36、表面能为15.6 J/m2、恢复系数为0.37、静摩擦系数为0.6、滚动摩擦系数为0.26、黏性分支指数为4.24、切向刚度因子为0.52。最后将该参数组合下的仿真值与实测值进行对比验证,发现仿真ε_n和b与实测值无显著差异,σ_u和a与实测值存在较大差异。结果表明基于响应面法标定的EEPA模型参数可表征试验土壤的轴向塑性变形和3%～45%轴向应变内的应力-应变行为。     

基于离散元非线性弹塑性接触模型的免耕土壤参数标定

为了进一步提升基于离散元法对免耕作业机具与土壤互作关系研究的准确性,以华北麦玉两熟区免耕壤土为研究对象,基于离散元软件（Discrete Element Modeling,DEM）扩展的The Edinburgh Elasto-Plastic Adhesion非线性弹塑性接触模型开展常年免耕农田土壤离散元仿真模型参数标定研究。应用Plackett-Burman 设计敏感性分析试验,选择对土壤压板试验沉陷量影响显著的关键参数（即土壤颗粒恢复系数、土壤颗粒-颗粒静摩擦系数、土壤颗粒表面能和土壤颗粒-颗粒塑性变形比）,以土壤压板试验沉陷量为评价指标,应用Box-Behnken 试验建立了沉陷量与4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沉陷量6.2 mm为目标值,对显著性参数进行寻优,得到最优组合为：土壤颗粒恢复系数为0.47,土壤颗粒-颗粒间静摩擦系数为0.62,土壤颗粒表面能为6.12 J/m2,土壤颗粒塑性变形比为0.41。最后通过标定优化的参数进行土壤颗粒应力传递试验,与室内试验结果对比发现,仿真的土壤颗粒接触传力特性与实际土壤压实过程中应力传递差别较小,误差范围在9.21%以内,并对比分析仿真和实测的土壤应力传递特性曲线的拟合情况,两者之间的决定系数R2为0.91,表明两条曲线的拟合相似度较高,验证了免耕土壤参数标定的准确可靠,参数标定后的离散元免耕土壤模型精确度高。研究可为快速构建免耕模式下的土壤离散元模型及免耕农机装备优化提供技术支撑。     

超声波振动下农机触土部件-土壤相互作用力学特性

为了揭示超声波高频振动条件下农机触土部件与土壤的相互作用力学特性,构建了该条件下农机触土部件运动理论模型,基于所建模型,分析了高频振动条件下触土部件与土壤间相互作用中的接触分离条件和冲击碎裂效应,理论上解析了超声波振动条件下触土部件碎土与降阻机理。设计建立了超声波振动触土部件土槽试验系统,试验研究了超声波高频振动条件下触土部件工作阻力和碎土特性。试验结果表明,超声波振动激励下,触土部件工作阻力比无振动状态明显降低,土壤硬度越大,其降阻率越高,当土壤硬度由1 MPa增加到4 MPa时,降阻率从22%上升到43%;在土壤含水率15%～30%范围内,含水率越低,降阻率越大,当含水率超过30%后,随含水率的增加,降阻率略有增大。由于超声波高频振动激励下工作的触土部件对土壤的冲击碎裂和能量传递作用,能够使其瞬时工作阻力的波动稳定性得到改善和获得更强的碎土作用。在土壤硬度为1 MPa时,工作阻力的波动稳定性改善不显著,随土壤硬度的增大,工作阻力波动度降低率明显增加,当土壤硬度为2.5和4 MPa时,对应工作阻力波动度降低率达37.1%和54.3%。该研究可为高频低幅振动农机触土部件应用方案的实施提供技术支撑。     

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。     

基于离散元的西北旱区农田土壤颗粒接触模型和参数标定

为了解决利用离散元法模拟土壤作业过程在预测农具阻力和土壤动态运动时存在失真等问题,整合延迟弹性模型(hysteretic spring contact model,HSCM)和线性内聚力模型(liner cohesion model,LCM)优势建立西北旱区农田土壤模型,以不同参数(静摩擦系数、动摩擦系数和内聚强度)组合下仿真得到的土壤仿真堆积角为响应值,基于Box-Behnken试验法建立回归模型,并根据该回归模型进行了参数预测并验证,对17组土壤仿真堆积角方差分析表明:静摩擦系数、动摩擦系数、动摩擦系数和抗剪强度的交互项、动摩擦系数的二次项对仿真堆积角的影响极显著;静摩擦系数和动摩擦系数的交互项、静摩擦系数的二次项对仿真堆积角的影响显著。使用预测的参数进行6种不同含水率土壤直接剪切仿真和试验对比可知,当含水率为1%~20%时,仿真与试验间的抗剪强度相对误差为1.18%~9.31%,仿真与试验间的内摩擦角相对误差为0.55%~4.07%。对仿真和试验鸭嘴插入阻力数据进行分析可知,仿真与试验曲线在入土距离处于0~50 mm期间时,但仿真入土阻力曲线波动较大,仿真和试验阻力走势基本一致,玉米直插穴播最深处50 mm处的仿真和试验入土阻力相对误差为0.928%,可利用此时的入土阻力分析直插鸭嘴结构对强度的影响。     

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。     

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。     

苜蓿秸秆压缩仿真离散元模型参数标定

为了提高苜蓿秸秆压缩过程中离散元仿真研究所用参数的准确度,该研究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,以接触参数物理试验结果为仿真参数选择依据,利用Plackett-Burman试验对初始参数进行显著性筛选,方差分析结果表明,苜蓿秸秆-苜蓿秸秆静摩擦系数、苜蓿秸秆-苜蓿秸秆滚动摩擦系数、苜蓿秸秆-45钢静摩擦系数对仿真休止角影响显著。进一步以休止角的相对误差值为评价指标,对3个显著性参数进行最陡爬坡试验,优化显著性参数取值范围,并基于Box-Behnken试验建立休止角与显著性参数的二阶回归模型,以物理试验得到的38.88°休止角为目标值,对显著性参数进行寻优,得到最优组合:苜蓿秸秆-苜蓿秸秆静摩擦系数为0.45、苜蓿秸秆-苜蓿秸秆滚动摩擦系数为0.08、苜蓿秸秆-45钢的静摩擦系数为0.54。最后利用T检验得到P0.05,表明仿真休止角与物理试验值无显著性差异,验证了最优参数组合的可靠性。研究结果表明,应用上述各优化试验来标定离散元仿真参数是可行的,同时标定的参数可为苜蓿秸秆的其它仿真试验提供参考。     

机施有机肥散体颗粒离散元模型参数标定

针对有机肥离散元模型接触参数和接触模型参数难以通过查阅文献或试验直接获得的问题,该文提出一种通过仿真试验建立回归模型并结合物理试验寻优的方法,对有机肥离散元模型参数进行标定。考虑到有机肥颗粒间的凝聚力,选择"Hertz-Mindlin with Johnson-Kendall-Roberts"接触模型。应用Plackett-Burman Design对有机肥离散元模型参数进行筛选,得到对休止角有显著影响的参数,即有机肥-有机肥滚动摩擦系数、表面能JKR和有机肥-钢板滚动摩擦系数;通过最陡爬坡试验确定了显著性参数的最优值区间,应用Central Composite Design建立并优化了休止角与显著性参数的回归模型,以实际休止角为目标,求解得到显著性参数最优值,即有机肥-有机肥滚动摩擦系数为0.10,JKR为0.015,有机肥-钢板滚动摩擦系数为0.11。在标定的参数下进行仿真验证试验,仿真休止角与实际休止角的相对误差为0.42%,无明显差异,表明标定的参数准确,可以为有机肥离散元模型参数的选取提供参考。     

花生种子颗粒离散元仿真参数标定与试验

由于花生排种装置在优化设计过程中缺乏准确的仿真模型参数，从而造成仿真与理论计算结果存在较大误差，一定程度上制约了花生排种装置的发展。该研究系统测定了花生种子的三轴尺寸、颗粒密度、弹性模量、泊松比等本征参数及其静摩擦因数、滚动摩擦因数、恢复系数。通过开展花生种子颗粒堆积试验，标定得到花生种间静摩擦因数为0.213，种间滚动摩擦因数为0.035。为检验标定参数的可靠性，开展了花生堆积角仿真与物理试验对比。结果表明花生物理堆积角和仿真堆积角相对误差为0.22%。通过开展机械式花生精量排种器的仿真与台架排种性能的对比试验，得到排种性能中漏播指数、重播指数相对误差分别为8.24%、5.12%，结果表明花生标定参数具有可靠性。本研究结果可为排种装置的优化设计与仿真研究提供理论参考。