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。     

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。     

多种材料与不同含水率土壤的离散元接触参数标定

现有土壤与触土部件材料间的接触参数适用范围较窄,难以模拟高含水率下的作业状况。为了探索多种材料与不同含水率土壤的粘附情况,更加准确地解决触土部件与土壤的粘附问题,以南方稻茬田土壤为研究对象,应用EDEM中的Hertz-Mindlin with JKR Cohesion模型,对不同含水率的土壤与45号钢、超高分子量聚乙烯（ultra-high molecular weight polyethylene, UHMWPE）、聚四氟乙烯（polytetrafluoroethylene,PTFE）的接触参数进行标定。在前期试验的基础上,以碰撞恢复系数、静摩擦系数、滚动摩擦系数和JKR为试验因素,土壤的滚动距离为试验指标设计了Box-Behnken四因素三水平试验。最后对所得回归模型进行优化,得到了含水率21%、26%、31%（±1%）的土壤与45号钢、UHMWPE、PTFE的碰撞恢复系数、静摩擦系数、滚动摩擦系数以及JKR的最优参数。仿真滚动距离与实测滚动距离的最大相对误差为3.46%,说明标定的参数准确可靠,可以为触土部件在进行减粘脱附设计时提供参考。     

水稻茎秆接触物理参数测定与离散元仿真标定

【目的】针对解决水稻清选物料堵塞离散元建模缺乏准确模型问题,为提高水稻植株离散元建模及仿真研究中所用参数的准确度,【方法】以带有叶鞘包裹的水稻茎秆为研究对象,通过斜面试验测定稻秆与不锈钢板之间的静摩擦系数和滚动摩擦系数,接着基于离散元HBP仿真模型,先后通过堆积角试验和三点弯曲试验,以茎秆泊松比v、茎秆剪切模量G_b、茎秆-茎秆碰撞恢复系数e、茎秆-茎秆静摩擦系数u_s、茎秆-茎秆滚动摩擦系数u_t、茎秆-茎秆粘结半径R_b、茎秆-茎秆切向粘结刚度k_tb和茎秆-茎秆法向粘结刚度k_nb为试验因素,以茎秆堆积角θ和茎秆弹性模量E_b为试验因素评价指标,综合采用Plackett-Burman、Central-Composite和Box-Behnken试验方法,对水稻茎秆接触参数和粘结参数进行离散元仿真标定。【结果】Plackett-Burman试验结果表明：u_s与u_t（P<0.01）对θ影响极显著,u...     

水稻机械直播的土壤表层泥浆离散元参数标定

【目的】针对水稻机械直播稻田播前土壤与触土部件的相互作用机理不明确等问题,可利用离散元分析法研究影响水稻精量穴直播质量的因素。由于播前土壤的结构复杂,其表层泥浆与耕层存在一定差异,因此,需分层构建复合土壤模型。为获取精确的水稻机械直播的表层泥浆离散元参数,开展试验研究和仿真分析,并标定表层泥浆的离散元仿真参数。【方法】按照水稻精量穴直播的整地要求处理,并在播种前去田间获取表层泥浆,采用漏斗法进行泥浆堆积角试验,利用数显倾角仪多次测量泥浆堆积角并取平均值。选择EDEM离散元软件中Hertz-Mindlin with JKR接触模型,开展泥浆堆积角仿真试验。以堆积角为响应值,通过Plackett-Burman试验筛选出对堆积角影响显著的3个参数,进一步开展最陡爬坡试验缩小显著性参数的取值范围。采用Box-Behnken试验建立表层泥浆堆积角与筛选的显著性参数的回归模型,并以物理试验测得的泥浆堆积角为目标值,对显著性参数寻优得到最佳参数组合。将最优参数代入仿真软件验证表层泥浆颗粒离散元参数的准确性。【结果】泥浆堆积角物理试验获取表层泥浆堆积角为40.20°。Plackett-Burman试验...     

蔗段离散元仿真建模方法与参数标定

【目的】蔗段作为大长径比秆状物料，其离散元模型的构建方法与仿真参数的设定尚不清楚，仿真模型精度对颗粒间的动力学响应特性有较大影响，需通过参数标定提高仿真参数的准确性。【方法】以蔗段物理堆积角为响应值，采用仿真试验方法优化标定离散元参数。首先，采用物理试验测定蔗段的基本物性参数，并基于多球聚合模型和XML的方法构建蔗段仿真模型；然后，应用Plackett-Burman试验对蔗段离散元仿真中的8个初始参数进行显著性筛选，并对显著性参数进行最陡爬坡试验，确定最优参数区间；最后，基于Box-Behnken试验建立显著性参数与堆积角的二阶回归方程，以物理试验堆积角42.70°为目标值，对回归方程进行优化求解。【结果】显著性筛选试验得出蔗段泊松比、蔗段-蔗段静摩擦系数、蔗段-蔗段滚动摩擦系数对仿真堆积角影响显著；最优参数组合为：蔗段泊松比0.35、蔗段-蔗段静摩擦系数0.53、蔗段-蔗段滚动摩擦系数0.04。最优参数组合的仿真试验结果表明，仿真堆积角与物理试验堆积角无显著性差异，两者相对误差为0.99%，进一步验证了蔗段离散元标定参数的可靠性。【结论】蔗段离散元模型与最优仿真参数可用于蔗段离散元仿...     

蓝亚麻蒴果离散元模型仿真参数标定

【目的】对蓝亚麻蒴果离散元模型仿真参数进行标定.【方法】通过查阅文献法、物理试验法测定了蓝亚麻蒴果的基本物理参数(千粒质量、含水率、三轴尺寸、密度、泊松比、剪切模量)和接触力学参数(碰撞恢复系数、静摩擦系数和滚动摩擦系数)的取值或取值范围.以物理试验法测定的各参数为仿真试验参数选择依据,利用Minitable18软件进行Plackett-Burman试验设计,对物理试验法粗测得的参数进行显著性筛选;进一步以实际休止角与仿真试验休止角的相对误差作为评价指标,对显著性参数进行最陡爬坡试验,通过仿真逼近预测法对显著性参数进行寻优.最后,以较优参数组合进行仿真试验验证,测得对应仿真试验休止角,并与实际休止角进行对比.【结果】Plackett-Burman试验结果表明:蓝亚麻蒴果间的滚动摩擦系数对仿真试验蒴果休止角影响显著;由最陡爬坡试验结果可得蓝亚麻蒴果间的滚动摩擦系数为0.18;仿真试验验证结果表明:仿真试验休止角与实际休止角相对误差为0.95%.【结论】应用上述各方法及优化试验来标定蓝亚麻蒴果离散元模型仿真参数是可行的.     

鲜莲籽离散元仿真参数标定

【目的】确定鲜莲籽机械化加工过程中离散元仿真模型参数,为鲜莲籽机械化加工仿真试验提供数据参考。【方法】本研究利用EDEM仿真软件开展鲜莲籽离散元仿真参数标定。以产自湖北洪湖的‘太空莲36号’为试验对象,通过落种试验测定鲜莲籽实际落种的堆积角和休止角。基于Hertz-Mindlin (no slip)接触模型进行鲜莲籽落种仿真试验,以鲜莲籽堆积角和休止角的实测值与仿真值之间的误差为试验指标,通过PlackettBurman试验确定对堆积角和休止角影响显著的接触参数,通过最陡爬坡试验确定鲜莲籽离散元模型最优接触参数组合。采用料斗进行实际落种验证试验,以莲籽落种速率为试验指标,对比实际与仿真落种验证试验莲籽落种速率,验证最优参数组合可靠性。【结果】莲籽间静摩擦系数、莲籽间滚动摩擦系数对堆积角影响极显著(P<0.01);莲籽间滚动摩擦系数对休止角影响极显著(P<0.01),莲籽间静摩擦系数、莲籽-有机玻璃静摩擦系数对休止角影响显著(P<0.05)。最优接触参数组合为莲籽间静摩擦系数0.4、莲籽间滚动摩擦系数0.02、莲籽-有机玻璃静摩擦系数0.4。落料验证试验结果表明,实际试...     

基于响应面法的玉米籽粒离散元参数标定

【目的】离散元法普遍用于模拟农业物料在农业生产过程中的运动状态。离散元模拟的准确度取决于所使用的离散元参数,对颗粒离散元参数进行标定,为其在仿真试验中的应用提供可靠基础。【方法】以玉米籽粒为研究对象,以堆积角为响应值,将采用不同参数组合的仿真试验结果与实体试验结果对比,提出一种基于响应面法的离散元参数标定方法。采用Plackett-Burman试验对玉米籽粒离散元参数进行显著性检验,筛选对响应值影响显著的因素;根据最陡爬坡试验确定显著性因素的最佳水平范围;采用中心组合设计进行3因素5水平响应面优化试验。【结果】玉米泊松比与玉米–玉米静摩擦系数交互作用显著,得到玉米籽粒离散元参数最佳组合为玉米泊松比0.438、玉米–玉米静摩擦系数0.182、玉米–玉米滚动摩擦系数0.051。采用标定好的参数进行仿真试验得到堆积角平均值为26.89°,接近实体试验的堆积角值。【结论】基于响应面法的玉米籽粒离散元参数标定方法是可行的,可以提高玉米籽粒离散元仿真试验的准确性。     

西南区坡耕地紫色土离散元模型参数标定

土壤离散元模型是离散元法研究土壤与触土部件相互作用的基础。为了获得西南区坡耕地紫色土离散元模型，本文基于堆积试验，采用EDEM2020软件中的Hertz-Mindlin with JKR接触模型，以休止角为响应值，结合土壤本征参数实测试验，对模型参数进行标定。实测参数包括土壤密度、含水率、休止角、粒径分布、颗粒-颗粒静摩擦系数、颗粒-45钢静摩擦系数，利用Origin2021b软件图像数字化工具处理图像，得到实际休止角为34.11°，变异系数为0.452%。利用Design-Expert11软件设计了Plackett-Burman试验，对影响拟合休止角的9个参数进行筛选，得到4个影响显著参数，即颗粒表面能、颗粒-颗粒滚动摩擦系数、颗粒-45钢静摩擦系数、颗粒-45钢滚动摩擦系数。设计最陡爬坡试验进一步缩小模型参数取值范围，设计Box-Behnken试验，对模型进行分析优化，得到4个参数最优组合，即颗粒表面能0.134 J/m²，颗粒-颗粒滚动摩擦系数0.231，颗粒-45钢静摩擦系数1.045，颗粒-45钢滚动摩擦系数0.228。结果表明，仿真休止角与实际休止角相...     

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。     

稻谷颗粒模型离散元接触参数标定与试验

EDEM与FLUENT耦合模拟稻谷清选时,稻谷颗粒参数设置的准确性直接影响仿真结果的可信度。结合稻谷颗粒堆积角的实测试验与仿真试验,标定了稻谷颗粒模型间静摩擦系数、滚动摩擦系数2个主要接触参数。设计了堆积角形成装置,该装置采用坍塌法和注入法同时形成2种堆积角,可以减小非同时形成所引起的测量误差;创建了稻谷颗粒的离散元模型,结合堆积角的实测试验与仿真试验,建立了2个主要接触参数与2种堆积角之间的二元回归方程;以稻谷颗粒2种堆积角的实测结果作为目标值,对回归方程进行数值求解,得到颗粒模型间的静摩擦系数、滚动摩擦系数分别为0.433 6、0.161 5;设计了抛洒试验对标定后的参数进行验证,抛洒长度、宽度和近抛洒端堆积角等特征参数的实测结果与仿真结果的相对误差小于5.7%,这表明颗粒的模拟运动轨迹与实际运动轨迹基本一致,所创建的稻谷颗粒离散元模型及标定得到的接触参数可以为EDEM-FLUENT耦合仿真稻谷清选过程提供参考。     

包衣棉种物性参数测定与离散元仿真参数标定

针对目前在EDEM(离散元法)中直接建立的棉种颗粒模型与实际棉种在外形上存在一定差异,且缺乏准确的包衣棉种仿真参数的问题,采用物理试验方法测定‘新陆中67号’棉种的基本物理力学参数,研究包衣对棉种与有机玻璃板间的接触参数(碰撞恢复系数、静摩擦因数和滚动摩擦因数)的影响,基于逆向工程技术建立棉种离散元颗粒模型,运用响应曲面分析法建立包衣棉种种间接触参数与休止角相对误差的二阶回归模型,结合物理试验和仿真试验对仿真参数进行标定,确定包衣棉种种间碰撞恢复系数、静摩擦因数和滚动摩擦因数的最优参数组合,并利用棉花精密排种器排种试验对仿真参数进行验证。结果表明:‘新陆中67号’棉种的泊松比为0.27,剪切模量为14 MPa,包衣剂对棉种表面摩擦特性有一定影响,包衣棉种与有机玻璃之间的碰撞恢复系数、静摩擦因数和滚动摩擦因数分别为0.25、0.49和0.21,包衣棉种种间碰撞恢复系数、静摩擦因数和滚动摩擦因数分别为0.19、0.23和0.13,此最优参数组合下排种仿真试验与台架试验的合格率和漏播率相对误差均小于5%,包衣棉种离散元颗粒模型和仿真参数可用于离散元仿真模拟试验。     

黑水虻生物转化餐厨垃圾有机肥离散元模型参数标定

在采用离散元法对黑水虻生物转化餐厨垃圾有机肥收集、转运等关键环节进行仿真分析时，存在餐厨垃圾有机肥的本征参数及餐厨垃圾有机肥与装备之间接触参数缺乏的问题。以含水率为37.5%的黑水虻生物转化餐厨垃圾有机肥为研究对象，利用EDEM 2020软件对其离散元仿真模型参数进行标定。通过Plackett-Burman试验、最陡爬坡试验及Box-Behnken试验获得各参数的最优组合为：泊松比0.2、剪切模量7 MPa、密度2 000 kg·m^-3、有机肥-有机肥碰撞恢复系数0.46、有机肥-有机肥静摩擦系数0.8、有机肥-有机肥滚动摩擦系数0.15、有机肥-钢碰撞恢复系数0.51、有机肥-钢静摩擦系数0.65、有机肥-钢滚动摩擦系数0.09、JKR表面能为0.1 J·m^-2，在该参数组合下的仿真试验结果与物理试验结果的相对误差为3.63%（P>0.05），证明数据可靠。该研究结果表明，餐厨垃圾有机肥离散元模型和标定后得到的参数具有可靠性，可为黑水虻生物转化餐厨垃圾有机肥在机械收集、输送、分离等方面的离散元研究提供参考。     

玉米秸秆接触物理参数测定与离散元仿真标定

为提高离散元方法模拟玉米秸秆揉碎过程的准确性,试验测定玉米秸秆与揉碎机锤片、玉米秸秆与玉米秸秆的接触参数。以径向堆积角相对误差值为评价指标,应用正交方法标定玉米秸秆离散元仿真需要输入的接触参数。结果表明:玉米秸秆与揉碎机锤片碰撞恢复系数、静摩擦因数、滚动摩擦因数分别设置为0.663、0.226、0.119;玉米秸秆与玉米秸秆碰撞恢复系数、静摩擦因数、滚动摩擦因数分别设置为0.485、0.142、0.078,此参数组合为玉米秸秆离散元仿真接触参数的最优方案,仿真结果与试验结果的相对误差为8.127%。     

玉米秸秆饲料除尘筛出物离散元数值模拟参数标定

为提高玉米秸秆饲料除尘过程中离散元数值模拟参数的准确度,采用物理试验与数值模拟相结合的方法对玉米秸秆饲料的筛出物进行离散元数值模拟参数标定。将物理试验测定筛出物中秸秆与尘土的接触参数作为数值模拟参数选择依据,利用Plackett-Burman试验、最陡爬坡试验和Box-Behnken试验确定对数值模拟休止角影响最显著的因素。以物理试验得到的休止角(41.668°)与标准筛除尘率(13.24%)为目标值,对显著性参数进行寻优;应用最优参数组合进行休止角与标准筛除尘率数值模拟,验证标定参数组合数值模拟精确性。结果表明:对数值模拟休止角影响显著的因素为,尘土接触模型JKR表面能、尘土-尘土恢复系数和尘土-尘土滚动摩擦因数;最优参数组合为,尘土接触模型JKR表面能9.052 J/m²、尘土-尘土恢复系数0.52、尘土-尘土滚动摩擦因数0.182。数值模拟休止角与物理试验休止角相对误差为1.26%,标准筛数值模拟除尘率与物理试验除尘率相对误差为7.93%。     

基于堆积试验的黑水虻离散元仿真参数标定与分析

为解决黑水虻在畜禽粪便处理后续分离环节中应用筛分机械作业难、缺乏准确离散元仿真模型等问题,以黑水虻为研究对象,基于EDEM仿真软件模拟,选取系统中“Hertz-Mindlin with JKR”接触模型,以堆积角为评价指标,对黑水虻离散元仿真模型参数标定进行研究。首先,通过Plackett-Burman试验筛选对黑水虻堆积有显著影响的3个参数项(黑水虻剪切模量、黑水虻间静摩擦系数、黑水虻间滚动摩擦系数);然后,结合抽板法堆积物理试验,利用最陡爬坡试验确定显著性参数的最优区域;最后,进一步以堆积角为响应值,基于二次回归正交旋转组合试验得到堆积角与显著性参数的二阶回归模型,并以实际堆积角为目标,针对显著性参数进行寻优,确定EDEM仿真试验中黑水虻的最佳接触参数,得到最佳组合:黑水虻剪切模量8.67 MPa、黑水虻间静摩擦系数0.43、黑水虻间滚动摩擦系数0.32。运用最佳参数组合进行仿真分析,得到堆积角的均值为35.84°,与物理试验测得堆积角34.66°的相对误差为3.40%。研究结果表明,使用该方法对黑水虻离散元仿真参数的标定具有可行性,为基于EDEM软件设计与研究黑水虻筛分机械提供有效物料特性数据基础。     

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。     

半夏块茎物理特性研究及离散元仿真参数标定

为设计研究半夏撒播排种器，测定了半夏的本征物理特性参数，并对半夏离散元仿真参数进行标定。通过烘干试验、浸液试验、匀速压缩试验，确定了半夏种子的含水率为62.23%、密度为1 210 kg·m^-3、泊松比为0.373 1、弹性模量为5.751 MPa；通过实际碰撞试验结合仿真试验建立了回归模型，测定半夏-半夏的碰撞恢复系数为0.472 0、半夏-不锈钢板间碰撞恢复系数为0.635 8；通过实际的斜面滑动试验结合仿真试验，确定了半夏-不锈钢板间的静摩擦系数为0.615 4；利用圆筒提升试验结合最陡爬坡试验和Box-Behnken试验，确定了半夏-不锈钢板间的滚动摩擦系数为0.150、半夏-半夏的静摩擦系数为0.554、半夏-半夏的滚动摩擦系数为0.157。该研究结果可为半夏机械化生产装备设计研究和结构优化提供理论参考及设计依据。