离散元法在土壤动力学方面的研究

离散元法是求解与分析复杂离散系统的运动规律与力学特性的一种新型数值方法。耕作土壤本身具有离散性质,因此离散元法是分析外力作用下土壤动态行为变化过程的较理想方法。本文主要阐述了离散元法在土壤动力学方面的国内外研究进展,就接触模型、颗粒形状模型、接触判断以及与其他数值方法的耦合的国外研究进展进行综述,并对将来的研究工作进行展望。     

链锯模拟试验台微机检测部分的程序设计

本文介绍了T—2B型链锯模拟试验台中微机检测部分的硬件结构和程序设计。给出了微机检测部分的结构图,A/D转换器和微机的连接图,主程序框图和中断服务程序框图。重点介绍了链锯切削参数的采样程序,各切削参数工程值转换程序,数据处理以及“间竭”打印程序的设计方法和技巧。同时还给出一些主要的实用程序。     

U形筒螺旋输送机输送颗粒物料的离散元仿真

采用试验与离散元模拟相结合的方法,对U形筒和圆形筒螺旋输送机输送颗粒物料的动态过程进行对比研究。结果表明:1)U形筒和圆形筒螺旋输送机输送颗粒时都存在质量累积波动现象,波动现象都随着螺旋叶片的转速、螺旋输送机的倾斜角度增加逐渐减弱;2)螺旋输送机的倾斜角度在0~45°时U形筒的效率大于圆形筒,当倾斜角度超过60°后圆形筒效率超过了U形筒,另外输送效率并非随螺旋叶片的转速增加线性增大,而是当转速增大到一定值后趋于稳定;3)对比U形筒和圆筒螺旋输送机工作时颗粒在所受挤压力,位于进料口处颗粒受力最大,且在进料口处圆筒螺旋输送机大于U形筒,转速增加颗粒受力趋稳。     

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。     

基于离散元法的勺轮式排种器性能仿真分析

为研究勺轮式排种器在播种玉米时出现的单粒播种、重播和漏播等不同情况,建立了其离散元模型,对以上3种运动过程进行了仿真分析。分别建立了播种合格率、重播率、漏播率和递种起始角、排种盘转速之间的回归方程式,为排种器的研究提供了一定的参考,并通过试验台试验验证其可行性;同时,试验结果表明:当递种起始角为2°、11°或20°时,排种效果较优时的排种盘转速为26.46 r·min~(-1),合格指数最高可达94.54%;当递种起始角为29°或38°时,排种效果较优时的排种盘转速为34.02 r·min~(-1),合格指数最高可达92.21%。     

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%。     

基于二维离散元法的橡胶颗粒沥青混合料降噪特性分析

为深入挖掘橡胶颗粒沥青混合料减振降噪的细观力学性能,采用离散元法,研究了正弦荷载下橡胶颗粒沥青混合料的局部受力变形特性,此外,从能量角度分析了橡胶颗粒的含量、空隙率和材料摩擦系数对沥青混合料减振降噪特性的影响。结果表明,橡胶颗粒的掺入为滑移及振动响应提供了有利条件,促进了外力做功向颗粒单元间摩擦滑动耗能和阻尼耗能的转化,当橡胶颗粒掺量为3%时对混合料内部颗粒阻尼的总能量消耗更为显著;空隙率为3%、4%、5%和6%时,随着空隙率增大,摩擦滑动耗能和阻尼耗能增大;摩擦系数分为0.5、0.6、0.7和0.8时,摩擦系数越小摩擦滑动耗能越大,但摩擦系数变化对阻尼耗能影响较小。     

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。     

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%。     

油菜籽离散元仿真参数分析及标定

为了获得油菜籽优化的播种参数,采用EDEM软件对油菜籽播种时的颗粒堆积进行模拟仿真,采用MATLAB图像处理技术,对堆积角边缘轮廓进行线性拟合,获得准确的休止角作为响应值,根据休止角响应值对油菜籽离散元仿真参数进行标定。应用筛选试验设计方法对10个初始参数进行筛选,发现油菜籽-油菜籽之间滚动摩擦系数、油菜籽-播种箱板之间相互摩擦系数以及油菜籽-油菜籽之间静摩擦系数对颗粒团休止角影响显著。根据试验结果建立了显著性参数与休止角的回归模型,得到显著性参数的最佳组合为：油菜籽-播种箱板的静摩擦系数0.283、油菜籽-油菜籽滚动摩擦系数0.036、油菜籽-油菜籽静摩擦系数0.284。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（P>0.05）,表明应用响应面优化标定油菜籽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油菜籽离散元仿真参数的选取提供参考。     

基于EDEM的内充式花生排种器排种过程的离散元仿真研究

[目的]寻找排种器的最佳排种转速。[方法]建立内充式花生排种器的离散元仿真模型,采用离散元的基本原理,运用EDEM软件对内充式花生排种器排种性能进行仿真研究,测定3种不同品种的花生种子在不同转速时排种器的排种量、清种起始角及清种终止角的变化趋势。[结果]实际转速为15.7~45.5 r/min时排种量随着转速的增大而增加,但与花生的品种无关;清种起始角和终止角也均随转速的增大而增大,但起始角的增大幅度大于终止角,导致清种区域随转速的增大而减小,实际转速为38.0 r/min时双粒率达到最高值、排种均匀性最好,仿真结果与试验结果变化趋势一致。[结论]基于EDEM的离散元仿真方法分析内充式花生排种器是可行的。     

固沙装备插草圆盘前进速度与阻力关系分析

针对插草圆盘试验中存在偏载而导致的误差问题,采用离散元数值模拟和试验相结合的方法,对机械化铺设草方格过程中纵向插草圆盘在竖直方向插草阻力的影响因素及其影响规律进行研究,对草秆的运动规律进行理论分析,得到了单根草秆被插草圆盘滚动下压至最低位置的时间和相邻两根草秆开始运动时间差的计算公式,圆盘在1个运动周期内所接触的草秆数量,以及草秆在竖直方向的平动速度与圆盘前进速度的定量关系式。利用自行设计的土槽试验装置,进行竖直插草试验,对草秆转动的角速度与角加速度进行标定。利用离散元法建立插草圆盘插草的草秆-沙土三维模型,并仿真插草圆盘滚动插草的过程。仿真结果表明:1)对草秆运动的理论分析结果适用于插草动态过程离散元仿真;2)当圆盘前进速度在4～10cm/s区间时几乎不会影响竖直方向的稳态插草阻力;3)圆盘竖直方向插草阻力随着草秆铺设密度的增加而增大。本研究揭示了圆盘滚动插草过程中,草杆的运动规律与圆盘前进速度等参数间的定量关系,并在试验标定参数的基础上,得到了圆盘速度、草秆铺设密度对插草阻力的影响规律。     

水稻往复拨叉式排种器设计及其运动过程的离散元法仿真分析

为满足水稻精量穴直播生产需求,以往复式排种器为基础,设计了一种往复拨叉式排种器。介绍了往复拨叉式排种器的工作原理、结构组成及关键部件设计。根据水稻种子的外形尺寸及充种状态概率,设计了5种规格的U型充种型孔;为缩短运种行程,采用了偏心轮传动机构,并设计了刮种装置。借助EDEM离散元法对其进行运动模拟仿真,分析其排种过程并提出改进措施。仿真结果显示:往复拨叉式排种器在充种型孔长、宽、厚分别为10.0、9.0、5.0 mm,拨叉杆往复运行频率为10 Hz运行条件下,稻种粒数为3~6粒的穴数在90%以上,重播指数及漏播指数均小于5%,满足水稻机械化精量穴直播要求。     

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。     

南水北调视景仿真系统中动态水环境的模拟

动态水环境的模拟是南水北调视景仿真的技术难点。在分析现有动态水环境仿真模型的基础上，根据南水北调视景仿真的具体要求，利用水波动理论及计算机图形学的相关方法，实现了南水北调仿真系统视景仿真中动态水环境的仿真。实际模拟结果表明，仿真水面较为逼真，效果良好，能满足水力学仿真的需要。     

Model Construction and Visualization Simulation of Soybean Root System

This paper mainly focused on the growth law, model construction and visualization of a soybean root. A pot experiment was conducted in the laboratory to collect root system data and measure soybean root’s length, diameter and number by excavating in different periods. On the basis of an in-depth analysis of root structure geometry, we analyzed the collected experimental data with logistic equations, and got the growth of soybean root equation, according to its morphological structure characteristics of self-similarity, and discussed the virtual modeling method on the soybean root based on L-system and in Visual c++ Using OpenGL technology to achieve a soybean root system topology model and visualization simulation.     

有壁面滑移时刚性球颗粒间流体的挤压流动

挤压流动中流体在壁面的滑移发生在某些非牛顿流体或存在润滑层的牛顿流体情形,此现象对黏性力的影响值得研究。基于润滑理论,导出了壁面滑移时刚性球间牛顿流体挤压流动的压力分布和黏性力的解析解。通过引进滑移修正系数,解析解可分解成无滑移解和滑移修正系数的乘积。该系数是滑移参数和量纲1积分上限的复杂函数,但数值试验表明,对充分大的量纲1积分上限和给定的滑移参数,该系数趋于常数,由此可大大简化黏性力的计算,从而明显减小湿散体离散元模拟的计算量。     

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。