基于DEM的玉米秸秆离散元模型参数标定

玉米秸秆外表皮和内瓤的力学特性存在较大差异,为提高玉米秸秆仿真结果的精确度,提出一种基于离散元法(DEM)的玉米秸秆精细化仿真模型建立方法,构建有茎节和无茎节秸秆仿真模型。通过Plackett Burman试验和最陡爬坡试验开展无茎节秸秆模型的单轴压缩仿真试验,确定影响颗粒抗破坏力的因素主要是玉米秸秆外表皮—内瓤滑动摩擦系数、内瓤—内瓤碰撞恢复系数和内瓤—内瓤静摩擦系数,通过正交试验确定最优参数组合为0.28、0.29和0.23。利用有茎节秸秆模型进行剪切试验验证,结果表明仿真试验与物理试验的抗剪切力分别为132.29 N和131.36 N,误差为093 N,说明最优参数组合精确度较高。研究结果可为秸秆还田装置、生物质材料成型和饲料加工装置等关键部件优化设计提供参考依据。     

基于离散元的秸秆-土壤复合体载荷传递研究

针对目前玉米秸秆-土壤混合介质下土壤应力传递特性不明确的问题,以黄淮海麦玉一年两熟区土壤为研究对象,借助离散元仿真软件EDEM中Hertz-Mindlin with JKR接触模型,建立了0、30%、40%、50%含量的秸秆-土壤混合介质离散元模型。以室内平板载荷试验为基础,对建立的秸秆-土壤混合模型进行离散元模拟仿真,通过控制加载板的施加力大小和作用时间记录不同加载状态下4种秸秆含量土壤颗粒的运动规律;同时,对土壤剖面进行分割,取土壤模型的3个不同深度土层,深度分别为40、90、140mm,进一步从仿真的角度揭示秸秆含量对土壤应力传递的影响。仿真结果表明：在秸秆-土壤混合介质中,秸秆通过减小土壤颗粒间接触面积来减小土壤间摩擦力以及改变土壤颗粒的运动方向等方式对土壤应力的传递起到阻碍作用;秸秆的添加会导致应力垂直传递减少,在40mm处各应力值比无秸秆时分别降低了21.7%、52.9%、67.2%;在同一施加力情况下,土壤应力随着作用时间的增加呈先降低后增加趋势,随秸秆含量的增加呈先增加后降低趋势。综合而言,适量的秸秆含量能够显著改善土壤的力学行为,当秸秆还田比例为10%～30%时土壤应...     

秸秆饲料青切揉碎机的设计

根据我国畜牧业发展和秸秆饲料利用现状,研究设计了一种大型、高效秸秆饲料加工机械.该机采用直抛滚筒式切碎装置,增设了对作物秸秆和散干牧草的揉搓作用的击碎和揉碎部件,物料加工质量大大提高.喂入装置采用先进的摆臂浮动辊式喂入机构,性能可靠;同时,增加了牵引机构,可实现流动作业.动力可选配18.4kW柴油机或18.5kW电动机.     

旋耕还田秸秆空间分布质量离散元分析

秸秆在土壤中的空间分布质量会对秸秆腐解速率、土壤养分分布等产生显著影响。为了探究不同旋耕作业参数对秸秆空间分布质量的影响,本文基于离散元法构建旋耕仿真模型,模拟秸秆旋耕还田作业过程,并结合田间试验对不同前进速度和刀辊转速下的秸秆空间分布质量进行对比验证。对仿真及田间试验区域进行垂直分层和水平划分的空间分割处理,计算各区域内秸秆数量并以秸秆占比变异系数为指标评价不同旋耕作业参数下的秸秆空间分布质量。结果表明,在垂直分层处理中,刀辊转速的增加会使得各层秸秆占比变异系数呈递增的趋势,其中240 r/min时最小,仿真值与试验值分别为60.09%和80.65%,而随着前进速度的增加,变异系数呈先减少后增加的规律,其中0.50 m/s时变异系数最小,仿真值与试验值分别为61.00%和79.90%;在水平划分处理中,刀辊转速的增加对各层秸秆占比变异系数无明显规律性影响,但前进速度的增加可以减小纵向划分区域内的变异系数,最小值为0.75 m/s时的11.36%和20.12%,仿真值与试验值变化趋势基本一致。垂直分布和水平分布秸秆占比变异系数仿真值与试验值间差值平均最大分别为22.13%和12.23%...     

旋耕还田秸秆空间分布质量离散元分析

秸秆在土壤中的空间分布质量会对秸秆腐解速率、土壤养分分布等产生显著影响。为了探究不同旋耕作业参数对秸秆空间分布质量的影响,本文基于离散元法构建旋耕仿真模型,模拟秸秆旋耕还田作业过程,并结合田间试验对不同前进速度和刀辊转速下的秸秆空间分布质量进行对比验证。对仿真及田间试验区域进行垂直分层和水平划分的空间分割处理,计算各区域内秸秆数量并以秸秆占比变异系数为指标评价不同旋耕作业参数下的秸秆空间分布质量。结果表明,在垂直分层处理中,刀辊转速的增加会使得各层秸秆占比变异系数呈递增的趋势,其中240r/min时最小,仿真值与试验值分别为60.09%和80.65%,而随着前进速度的增加,变异系数呈先减少后增加的规律,其中0.50m/s时变异系数最小,仿真值与试验值分别为61.00%和79.90%;在水平划分处理中,刀辊转速的增加对各层秸秆占比变异系数无明显规律性影响,但前进速度的增加可以减小纵向划分区域内的变异系数,最小值为0.75m/s时的11.36%和20.12%,仿真值与试验值变化趋势基本一致。垂直分布和水平分布秸秆占比变异系数仿真值与试验值间差值平均最大分别为22.13%和12.23%,误差在可接受范围内。离散元仿真能够模拟不同旋耕作业参数下的秸秆空间分布状态,可以为旋耕秸秆还田作业质量的快速预测评价研究提供支持,也可为旋耕机械的作业参数选择提供理论依据。     

新疆棉花秸秆离散元仿真参数标定研究

由于棉花秸秆在机械化收获和粉碎加工过程中缺乏准确的仿真模型参数,从而造成在机具设计中仿真效果和实际作业存在较大的差异,在一定程度上限制了棉花秸秆收获以及粉碎装置的设计研究。本文以新疆棉花秸秆作为试验材料,开展仿真分析研究,通过物理试验测定棉花秸秆的本征参数后,利用EDEM软件进行试验仿真,对棉花秸秆进行参数标定。采用堆积角试验和弯曲试验方法,测量出棉花秸秆堆积角和最大破坏载荷分别为28.62°和143.21N。应用Hertz-Mindlin no slip模型和Hertz-Mindlin with bonding模型进行棉花秸秆的堆积角仿真试验和弯曲仿真试验,得到棉花秸秆之间碰撞恢复系数、静摩擦因数、滚动摩擦因数和棉花秸秆-钢之间碰撞恢复系数、静摩擦因数、滚动摩擦因数分别为0.5、0.41、0.06、0.5、0.37、0.08,以及棉花秸秆法向接触刚度、切向接触刚度、临界法向应力与临界切向应力分别为4.15×1010N/m、5.60×1010N/m、40MPa、50MPa。将以上结果进行粉碎试验验证,棉花秸秆粉碎后依据长度和宽度不同,分为粉末型物料、破碎型物料、未破碎型物料,仿真试验质量和实际试验质量之间偏差为6.84%、8.29%、7.37%,证明了参数的可行性,可用于棉花秸秆参数标定。     

9RSZ-540型秸秆揉碎机的设计

介绍了9RSZ—540型秸秆揉碎机的总体配置，对其主要工作部件的结构形式进行了分析和确定，并对其工作参数进行了选择和计算。将揉碎(无筛)室与抛送室合二为一是该机的创新，加工青、湿玉米秸杆时效率较高是该机的特点。     

悬挂式玉米秸秆揉碎机盘刀的设计

对玉米茎秆切割受力、滑切、盘刀运动进行了分析,确定了悬挂式玉米秸秆揉碎机盘刀的设计参数.     

悬挂式玉米秸秆揉碎机的整体设计

通过对国内市场加工干秸秆作粗料的设备进行分析,提出适合我国实际情况的新机型,并确定其整体结构。     

玉米秸秆粉料致密成型离散元模型参数标定

为了提升秸秆粉料致密成型过程中离散元仿真所需参数的准确性,以玉米秸秆粉料为研究对象,利用EDEM软件中的Hertz-Mindlin with JKR粘结接触模型进行玉米秸秆粉料致密成型离散元仿真模型参数标定研究.首先,以接触参数的物理试验结果作为仿真参数选择依据,应用Plackett-Burman试验对初始参数进行筛选...     

香蕉秸秆离散元仿真粘结模型参数标定与试验

为提高离散元法对指导香蕉秸秆粉碎还田装备设计与优化的准确性与可靠性,本文利用Hertz-Mindlin with bonding接触模型建立香蕉秸秆离散元粘结模型并进行参数标定。运用高速摄影技术开展碰撞恢复试验、静摩擦及滚动摩擦台架试验,确定了香蕉秸秆碰撞恢复系数、静摩擦因数和滚动摩擦因数等基本离散元模型接触参数。开展香蕉秸秆物理与仿真剪切试验,获得破坏香蕉秸秆外皮的力学特征曲线,确定物理最大剪切力为122.41N;通过中心组合设计（Central composite design, CCD）响应面法确定香蕉秸秆粘结模型的法向接触刚度、切向接触刚度、临界法向应力与临界切向应力的最佳参数组合为5.89×107N/m、2.49×106N/m、1.39×105Pa、1.34×105Pa。以参数标定结果进行仿真验证,结果表明,仿真剪切力结果与物理剪切力相对误差仅为2.34%,验证了该粘结参数标定方法的可行性,可为香蕉秸秆粉碎还田机设计与研究提供理论参考。     

小麦收割机虚拟样机运动仿真研究——基于离散元虚拟现实技术

为了克服传统小麦收割机设计过程中反复试验-制造的长周期与低效率的缺点,且达到降低机械设计成本的目的,提出了一种基于离散元虚拟技术的小麦收割机虚拟样机设计方法,实现了小麦收割机的虚拟优化设计。采用Windows平台下VS2010集成了离散元仿真软件,并使用Open GL软件仿真实现了脱粒过程的三维显示,利用并行计算的方法对数据进行处理,最后通过保存三维输出结果,对脱粒的性能进行了数据统计和计算。虚拟仿真测试表明:所提出的小麦植株建模方法和收割机虚拟样机的性能仿真是可行的,通过颗粒捕捉仿真得到了麦粒的运动轨迹,并根据对脱粒的性能进行了统计,最终得到了小麦收割机脱粒的损失率、破碎率和脱净率,对现代化农机的设计制造具有重要的现实意义。     

基于离散元的茶叶抖筛机茶叶运动特性分析与试验

为了降低茶叶抖筛机的误筛率,从颗粒动力学角度研究了筛面倾角、振动幅度、振动频率对茶叶颗粒在抖筛机筛网上运动特性的影响。结合离散元方法对茶叶颗粒在筛面的运动进行数值模拟,通过分析茶叶颗粒的筛分过程,明晰了抖筛过程中筛上茶叶颗粒的运移机理。结果表明：茶叶颗粒主要集中在筛网中间,频率太大或者太小都会造成茶叶颗粒在筛网上的横向偏析;茶叶颗粒在筛网上的平均速度、旋转动能与振幅、频率呈正相关,筛面倾角对茶叶颗粒在筛网上的平均速度、旋转动能影响较小,茶叶颗粒沿X轴方向和Z轴方向速度对茶叶颗粒在筛网上的平均速度贡献最大;迁移系数的变化幅度随着筛面倾角、振动幅度、振动频率的增加而呈现逐渐增加的趋势,对茶叶抖筛过程颗粒迁移能力影响由大到小为：振动幅度、振动频率、筛面倾角;当振动幅度为22.5mm、筛面倾角为3°、振动频率为4.166Hz时,茶叶抖筛试验误筛率最小,茶叶抖筛试验误筛率结果与仿真试验结果相差在5个百分点以内,表明DEM模拟具有较高的准确性。     

玉米秸秆揉碎机整秆输送喂入装置的设计

通过理论分析与公式计算,并且结合悬挂式玉米秸秆揉碎机整秆输送喂入实际存在的技术难题,设计了一种可靠的输送喂入装置。     

联合收获机惯性沉降分离室内籽粒运动规律

根据牛顿第二定律,建立了惯性沉降分离室内包含多因素的籽粒运动微分方程式。利用拉格朗日法的离散相模型对惯性沉降分离室内籽粒运动进行了数值计算,得到了籽粒在惯性沉降分离室内的运动轨迹,沉降、分离等运动规律,并通过数值计算得到分离室入口气流速度和籽粒初速度对分离室分离效率的影响规律。     

引黄灌区不同粒径泥沙的运动规律

泥沙淤积与利用问题已成为引黄灌区持续发展与发挥长期效益的关键。阐述了当前引黄灌区泥沙灾害的表现形式,通过分析不同粒径泥沙在渠道中的运动、输移、和淤积规律,认为粗颗粒泥沙是渠道淤积和造成灾害的主要原因。由于粗、细泥沙在物理性质和利用方式上存在明显差异,应采用不同方法实现其资源化：对粗颗粒泥沙由集中处理改为分散处理,减少渠首部位的淤积;细沙进行长距离输送,引浑水淤灌,提高入田比例。     

黑土区玉米秸秆-土壤混料离散元模型参数标定

由于黑土区保护性耕作中关键农机部件设计优化过程中缺乏准确的离散元仿真模型参数,在一定程度上制约了机具的优化改进。以黑土区玉米秸秆-土壤混料为研究对象,构建玉米秸秆-土壤混料离散元仿真模型,采用物理试验与EDEM仿真试验相结合的方法,选用Hertz-Mindlin with JKR接触模型进行离散元仿真接触参数标定。首先,采用圆筒提升的方法确定玉米秸秆-土壤混料的实际堆积角,利用Design-Expert软件中Plackett-Burman试验筛选出对堆积角有显著影响的参数为：土壤-土壤滚动摩擦因数、土壤-钢静摩擦因数、秸秆-土壤滚动摩擦因数、土壤JKR表面能;进一步通过最陡爬坡试验确定4个参数的最优取值范围,根据Box-Behnken试验原理以堆积角为响应值,建立堆积角与显著参数的二次回归模型;以实际堆积角为目标,利用软件寻优功能对显著参数进行优化并得到最优参数组合：秸秆-土壤滚动摩擦因数0.16、土壤-土壤滚动摩擦因数0.24、土壤-钢静摩擦因数0.75、土壤JKR表面能0.67J/m2。通过仿真试验对最优参数组合进行对比验证,仿真堆积角与物理试验堆积角相对误差为1.64%。研究结果表明标定的参数真实可靠,可为黑土区玉米秸秆-土壤混料的离散元仿真提供理论参考。     

基于离散元的双轴旋耕机功耗预测模型

针对双轴旋耕机结构参数复杂、功耗高,受耕作时节限制,难以用田间试验的方法进行减阻降耗研究的问题。基于离散元法,构建双轴旋耕-秸秆-土壤耕作模型,研究了双轴配置参数对功耗的影响,通过响应面试验分析,建立了功耗的数学预测模型。模型优化的结果表明,当前后刀轴回转半径均为195mm,后轴相对于前轴垂直距离为99.8mm,前后轴回转圆水平距离为100.6mm,获得的功耗最小为9.018kW。为了验证功耗模型的准确性,在固定工作参数下,进行了原尺度整机仿真试验和田间试验。试验结果表明：真实原尺度旋耕机的田间试验功耗与整机仿真值误差均值为9.5%,范围为5.8%~13.4%,结合响应面分析说明功耗数学预测模型较为准确,表明旋耕机刀组在缩放过程中误差变化较小,模型能够准确反映双轴配置参数对双轴旋耕机在稻茬田地作业功耗的影响。     

藜麦秸秆接触物理参数测定与离散元仿真标定

探明藜麦秸秆的力学特性是进行藜麦相关机械研发与优化的前提。以藜麦秸秆为研究对象,借助离散元建模软件(Discrete Element Method,DEM)对藜麦秸秆进行离散元建模,并通过物理试验与虚拟试验相结合的方法对藜麦的粘结接触模型(Bonded Particle Model,BPM)进行了参数校核。结果表明：(1)以300 mm/min为加载速度,对含水率为59.61%的陇藜一号藜麦秸秆进行径向压缩试验时,最大临界载荷为173.67 N,抗压强度为0.116 MPa;(2)对bond粘结模型进行参数校核后,得到单位面积法向刚度、单位面积切向刚度、临界法向应力临界切向应力及粘结半径分别为2e+09 N/m³, 1.5e+09 N/m³, 3e+07 Pa, 2e+07 Pa, 0.96 mm,此时离散元模型力学特性与藜麦秸秆相接近;(3)经过计算得到藜麦秸秆模型的抗压强度为0.120 MPa,与试验结果的相对误差为6.0%。试验结果验证了此参数组的准确性,也为藜麦秸秆的其他仿真试验提供参考。     

悬挂式玉米秸秆揉碎机切割装置的研究与设计

通过对茎秆切割方式的比较以及现有玉米秸秆切割器的研究,设计出了适合悬挂式玉米秸秆揉碎机的切割装置。