碎甘薯秧离散元仿真参数测量与标定*

针对甘薯秧蔓机械化回收过程中离散元仿真研究缺乏准确参数值的问题,采用直接测量和虚拟标定相结合的方法对碎甘薯茎秆和叶片离散元仿真参数进行研究。采用物理试验法获得碎甘薯秧的本征参数、碰撞恢复系数等参数值及碎甘薯秧颗粒的静摩擦系数参数范围,并为离散元法仿真设计了不同的参数组合。通过堆积角优化仿真试验确定甘薯叶片本征参数及其他不易直接测量的离散元仿真参数。Plackett-Burman试验表明,甘薯茎秆—甘薯茎秆和甘薯茎秆—45钢的静摩擦系数、甘薯茎秆—甘薯茎秆和甘薯茎秆—甘薯叶的滚动摩擦系数均显著影响堆积角。运用最陡爬坡试验和Box-Behnken优化试验标定了对碎甘薯秧堆积角有显著影响的参数值,以得到的参数进行颗粒堆积仿真试验,测得堆积角平均值为40.51°,与实测值相对误差为0.972%,说明物理试验加优化仿真试验来标定离散元参数是可行的,标定所得的参数可作为甘薯秧茎叶离散元仿真参数。     

不同填充颗粒半径水稻种子离散元模型参数标定

气固两相流耦合仿真被广泛运用在气力式排种器工作过程的研究中，因确定性颗粒轨道数值计算模型的需求，种子多采用颗粒聚合的方法建模，该方法采用的填充球颗粒半径越小、数量越多就越能接近种子的真实形态，但会造成仿真计算资源过度消耗、仿真时间增长。为研究不同填充球半径的水稻种子模型对颗粒间的动力学响应特性的影响，寻找种子模型最佳的填充球颗粒数量，本文以水稻种子为研究对象，借助三维扫描与逆向拟合的方法获取种子外形轮廓，分别采用不同半径（0.30、0.21、0.18、0.16、0.15mm）的球颗粒对其进行填充，形成气固耦合的水稻颗粒粘结聚合模型。采用无底圆筒提升、滑落堆积的真实试验与仿真测定，采用曲面响应法，以休止角为指标，标定出不同填充球颗粒半径种子模型的种间静摩擦因数和动摩擦因数；通过圆筒提升和滑落堆积试验对参数进行验证，以仿真试验休止角的变异系数为指标，结果表明随着填充球半径的减小，仿真结果越接近真实值；通过水稻正压式排种器气固两相流耦合仿真进行验证，以充种率为指标，结果表明填充颗粒半径为0.21mm，仿真时长与仿真精度最优。     

茶园节能型开沟刀设计与试验

针对茶园机械化开沟减阻减耗需要,设计茶园节能型开沟刀,用于减小茶园开沟时的开沟功耗。通过理论分析确定节能型开沟刀侧切刃与正切刃曲线方程,通过离散元仿真方法确定侧切刃螺旋线终点处滑切角与正切刃在侧切刃平面内展开曲线终点处静态滑切角分别为62°、56°。对设计完成的节能型开沟刀进行田间试验,试验结果表明:在开沟深度为15、20、25 cm时,节能型开沟刀的开沟功耗分别为0.093、0.107、0.128 kW,均小于对照组通用开沟刀的开沟功耗,说明设计的节能型开沟刀在各个开沟深度均能够达到降低开沟功耗的目的。此外节能型开沟刀在不同开沟深度的沟深稳定性系数均大于90%,高于国家标准和对照组通用开沟刀试验结果,说明设计的节能型开沟刀在降低作业功耗的同时,可保证开沟质量。     

基于无人机LiDAR的天然林与人工林林隙提取

为研究主动遥感进行森林地物分类和林隙提取的效果,分别在天然林和人工林中比较了无人机激光雷达(Li DAR)数据的阈值法、逐像元法和面向对象法3种方法的分类精度和适用性。选取天然林(黑龙江省哈尔滨市帽儿山林场)和人工林(内蒙古自治区赤峰市旺业甸林场)两处试验区,应用阈值法、逐像元法和面向对象法3种方法,对两个试验区采集的无人机Li DAR数据进行林隙、非林隙、其他类型划分。研究结果表明,面向对象法在天然林和人工林试验区中的分类精度和Kappa系数均最高,天然林为82. 43%、0. 73,人工林为91. 74%、0. 88;逐像元法次之,天然林为76. 62%、0. 64,人工林为78. 68%、0. 68;阈值法的分类精度和Kappa系数差异较大,在天然林中的精度极低,为50. 54%、0. 27,人工林的精度较高,为79. 12%、0. 69。面向对象法和逐像元法在天然林和人工林普遍适用,均可以达到理想的分类精度和Kappa系数。阈值法在天然林的精度较低,更适合于人工林的分类,即林分高度趋于一致,且建筑、道路等其他类型干扰较少的区域。天然林的最佳分类方法为面向对象法,人工林的最佳分类方法为阈值法。     

有机基质臭氧消毒设备设计与试验

为实现有机基质的绿色、高效消毒,设计了有机基质臭氧消毒设备。基于离散元软件EDEM建立了有机基质颗粒模型,根据有机质物料输送及抛撒动力学特性与臭氧消毒工艺流程,利用Solid Works软件构建了有机基质臭氧消毒设备结构模型,并对两种模型进行接触参数标定。以有机基质倾尽角为评价指标,以抄板弯折角、转筒转速、填充率为试验因素,进行了三因素五水平正交旋转组合仿真试验。根据仿真结果,利用Design-Expert软件回归分析法建立倾尽角回归数学模型,对有机基质臭氧消毒设备模型中的抄板弯折角、转筒转速、填充率进行了参数优化与试验验证。结果表明,在各因素取值范围内,抄板弯折角对有机基质倾尽角影响极显著,转筒转速对倾尽角影响显著,填充率对倾尽角影响不显著;有机基质臭氧消毒装置最优作业参数组合为:抄板弯折角124.23°、转筒转速6.29 r/min,此时物料倾尽角仿真值为89.3°。臭氧消毒灭菌性能试验验证结果为:臭氧初始质量浓度64.2 mg/m~3,消毒60 min后,细菌灭菌率88.9%,真菌灭菌率97.9%,能够满足有机基质消毒生产要求。     

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。     

喷雾机风幕系统雾滴飘移分析及结构优化

目前，高地隙喷雾机被广泛应用在大田作业中，在喷杆上方加装风幕系统可有效降低农药雾滴的飘失率，从而提高农药的利用率。为此，基于CFD软件，采用离散相模型对雾滴在不同水平风速(0、1、2、3m/s),不同喷头上游压力(0.3、0.7、1MPa)、不同喷施高度(0.5、1、1.5、2m)下的雾滴飘失进行了数值模拟研究。仿真结果表明：雾滴沉积分布在无任何因素干扰下呈圆环分布，当高度为0.5m时，即使水平风速为2m/s,雾滴飘失效果也较不明显，随着水平风速和喷施高度的增加，雾滴飘失逐渐增加；当喷头高度为2m、自然风速为3m/s时，一部分雾滴已飘离计算区域，增大喷头压力则能有效降低雾滴飘移，原因是喷头压力能够给雾滴较大的初速度，协迫雾滴向下运动，以补偿水平风速带来的飘失。通过加装导流板优化风幕结构，采用ANSA软件对风幕结构进行前处理、Fluent计算及后处理，结果表明：出口气流流速横向分布较为均匀，加装导流板的方案可行。实际作业中，应当根据实际情况合理选择喷施高度、压力，并应考虑风幕辅助气流细化雾滴和雾滴触叶反弹，可能对不同农作物防治效果造成的影响。     

基于离散元法的稻麦周年地区土壤仿真物理参数标定

为获得可用于稻麦周年地区土壤流动的离散元仿真模拟参数,该研究利用EDEM中Hertz-Mindlin with EEPA接触模型对稻麦周年地区黏重土壤进行相关参数标定,以土壤材料参数(土壤颗粒间静摩擦系数、恢复系数、动摩擦系数、土壤剪切模量及土壤泊松比)和接触模型参数(黏附力强度、接触黏附能和接触塑性比)为标定对象,以室内试验及不同参数组合下仿真得到的土壤休止角为响应值,基于响应面优化标定土壤离散元仿真参数。研究应用Plackett-Burman试验对8个初始参数进行筛选,发现土壤—土壤静摩擦系数、动摩擦系数以及接触黏附能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:土壤颗粒间静摩擦系数0.35、动摩擦系数0.23及接触黏附能3.78 J/m~2、土壤剪切模量10 MPa、土壤颗粒间恢复系数0.2、土壤泊松比0.2;黏附力强度-0.001 N、接触塑性比0.5。以最优水平组合进行仿真验证试验,验证结果与室内测试结果进行对比验证,二者相对误差仅为1.9%,标定所得的参数可为稻麦周年地区作业条件下的农业机械触土部件设计与优化提供基础数据。