耕作土壤的离散元法研究

耕作土壤本身是由土壤颗粒、气体、液体组成的多相复杂颗粒团聚体,是一种典型的离散颗粒物质。而离散元法是研究散粒体的一种数值模拟方法,对耕作土壤与机械相互作用的过程研究具有明显的优势。本文介绍了离散元法及其在耕作土壤动力学方面的应用,阐述了运用离散元法进行农机部件仿真模拟的过程,指出了耕作土壤离散元模型的优点及目前存在的问题。     

基于离散单元法的土壤力学接触模型的建立

简述了离散单元法的发展现状,介绍了目前离散单元法的应用情况,分析了离散单元法在土壤行为中应用的可行性,指出离散单元法应用于土壤这样的多相不连续复合体系中,以离散单元的总体行为来描述土壤动态行为具有独特的优越性,提出了在离散单元法前提下建立土壤力学接触模型的方法。     

基于PFC~(3D)的玉米籽粒离散元参数研究

离散元法多用于模拟颗粒类离散单元体的运动状态以及受力情况,基于PFC~(3D)软件建立的玉米颗粒不仅在外形、质量上有区别,而且在玉米颗粒之间的接触情况也有差别,所以正确有效的仿真参数是数值模拟试验的基础,且颗粒之间的运动以及受力情况还要考虑离散元软件中的接触模型。针对此问题,本文依托玉米直剪试验采用响应面法对线性接触模型下的玉米离散元参数进行标定,以内摩擦角为响应值得到在此接触模型下3个显著影响因子分别是阻尼系数、摩擦系数、剪切模量。试验数据用Design Expert分析软件得出该内摩擦角与显著影响因子的回归方程,以实际试验结果作目标值解出3个显著影响因子:玉米剪切模量为385kPa、阻尼系数为0.62、种间摩擦系数为0.051。将标定后的参数进行不同法向压力的数值模拟直剪试验,结果表明:数值模拟直剪试验结果与实际结果最大误差为5.69%,该参数可以应用于线性接触模型下模拟试验,为基于PFC~(3D)软件的玉米离散元数值模拟提供依据。     

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。     

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...     

土壤试样单轴压缩试验与离散元法模拟对比研究

土壤是典型的松散介质,利用粘连的颗粒离散元模型模拟土壤聚团的行成及破裂一直是散体力学的热点之一。本研究详细描述了利用带粘连的颗粒离散元模型制备土壤聚团的方法,利用粘连颗粒离散元模型对土样单轴压缩试验进行数值模拟分析,将模拟结果与试验结果进行对比分析。结果表明:试验与模拟得到的压缩曲线走势吻合,均呈拟线性上升,达到峰值后光滑下降;试验和模拟得到的土壤压缩时的强度极限分别为21.5和24 kPa,模拟值高于试验值11.6%。     

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。     

深松铲耕作阻力的离散元法仿真分析与田间试验

目深松铲的设计制造是一个复杂的过程,本研究基于离散元法对深松铲与土壤的相互作用过程进行了研究。基于传统离散元理论,考虑到土壤颗粒间液桥力作用,建立了土壤颗粒以及深松铲模型。将深松铲在耕速为1 m/s,耕深为180 mm,220 mm和260 mm的条件下进行了离散元法仿真,并获取了耕作阻力曲线。仿真得到的耕作阻力与田间试验结果能较好的吻合,在三个耕作深度下的相对误差分别为2.96%,14.95%以及7.15%。结果证明离散元法能较好的分析深松铲的工作过程,并且对今后进一步优化深松铲的结构有重要意义。     

新疆农田粉土离散元仿真参数标定

【目的】标定新疆地区粉土离散元仿真模型,量化分析农业机械触土部件与土壤的相互作用。【方法】采用EDEM离散元仿真软件,运用斜坡试验标定土壤与触土材料（65 Mn）之间的接触参数,堆积角试验标定土壤与土壤之间的接触参数,以斜坡滚动距离为优化目标进行回归分析。【结果】土壤与65 Mn之间离散元模型参数的一种优化组合为恢复系数0.51,静摩擦系数0.56,动摩擦系数0.08,JKR表面能4.12;以堆积角为优化目标,土壤之间离散元模型参数的一种优化组合为恢复系数0.57,静摩擦系数0.65,动摩擦系数0.23,JKR表面能4.49。滚动距离和堆积角的误差分别为6.05%、1.28%。【结论】在建立的仿真模型条件下,在8、9、10 km/h作业速度下,犁体仿真试验与实际试验的工作阻力相对误差为5.69%、5.95%、6.49%,建立的模型真实可靠。     

弧形深松铲工作过程和松土效果的离散元法仿真分析

采用离散元法仿真分析不同弧形深松铲在不同工作速度(0.5、0.8、1.0 m/s),不同深松深度(200、300、400 mm)条件下的的深松过程。以吉林长春地区的壤土作为研究对象,基于耕层与犁底层土壤的不同物理属性,分层建立土壤模型,分析犁底层土壤颗粒的破碎情况及深松铲的受力情况,同时将田间试验结果与仿真结果进行对比分析发现,二者基本一致。结果表明,后掠角为50°的弧形深松铲在深松过程中所受的阻力最小,土壤黏结颗粒被破坏的个数最多,犁底层土壤被翻转到耕层的土壤颗粒个数最少,使用性能最佳,可达到松土而不翻土的效果,提高土壤蓄水保墒的能力,初步证明,采用离散元法仿真分析深松铲工作过程和松土效果具有可行性。