油葵籽粒离散元参数标定与试验验证

针对采用离散元法对油葵播种、收获等关键工作过程仿真分析时,油葵籽粒本征参数、油葵籽粒与油葵机械化种植及收获装备间接触参数缺乏问题,该研究以油葵籽粒为研究对象,利用三维扫描逆向建模技术与EDEM软件建立油葵籽粒离散元模型,通过物理试验与虚拟仿真试验对仿真参数进行标定。采用绝对原点数显卡尺、电子分析天平、万能材料拉压力试验机等测定了矮大头567油葵籽粒的三维几何尺寸、密度、含水率、泊松比、弹性模量、剪切模量和静摩擦系数;采用圆筒提升法进行油葵籽粒物理堆积试验,利用MATLAB对堆积图像进行处理获得物理堆积试验油葵籽粒的堆积角为48.858°。以堆积角为评价指标,利用Plackett-Burman试验、最陡爬坡试验筛选出对堆积角影响显著的因子及取值范围;通过响应面寻优试验结果的方差分析和寻优计算,确定了油葵籽粒间静摩擦系数与动摩擦系数的较优组合为0.41、0.05。以较优参数组合进行仿真堆积试验,测得堆积角为48.976°,与物理堆积试验得到的堆积角误差为0.24%;进行电磁料斗振动物理试验与仿真试验对标定结果进行验证,得到不同工作电压下油葵籽粒物理试验与仿真试验的质量流率曲线,2条曲线相关系数为0.998,变化趋势基本一致。研究结果表明,油葵籽粒模型和标定所得的离散元仿真参数具有可靠性,可为油葵籽粒离散元仿真研究提供参考。     

荸荠离散元仿真参数标定与试验

针对荸荠深加工中机械去皮、切块等技术与装备研发缺乏离散元仿真模型与参数、难以通过仿真指导装置设计与优化的问题,该研究开展了荸荠的离散元参数标定与试验研究。借助三维扫描逆向建模技术获得荸荠轮廓,通过物理试验测得其本征参数和基本接触参数,通过质构仪测得刀片对荸荠的最大剪切力为67.2 N。应用Hertz-Mindlin with bonding模型对荸荠进行建模,以最大剪切力为评价指标,对粘结参数进行虚拟标定试验,采用二水平析因试验和最陡爬坡试验筛选显著性因素,通过响应面法设计试验和优化求解,并进行仿真验证。结果显示,仿真值和实测最大剪切力相对误差为0.89%。进行不同刀片的剪切试验,结果表明,仿真值与实测最大剪切力相对误差不高于7.41%。研究结果表明,该研究所建荸荠模型与参数标定结果可用于离散元仿真研究,对荸荠去皮、切块加工装置设计具有指导意义。     

苹果颗粒离散元接触参数标定与仿真试验

为精准确定红富士、花牛和黄元帅苹果的接触参数,该研究基于离散元法对3种苹果颗粒的仿真模型进行接触参数标定试验。首先,创建3种苹果的离散元填充模型,并通过电子秤、万能试验机等试验设备,确定其本征参数。其次,通过碰撞弹跳试验、斜面滑移试验和斜面滚动试验,得到红富士、花牛和黄元帅苹果与亚克力板的碰撞恢复系数分别为0.473、0.432和0.466;与亚克力板的静摩擦系数分别为0.435、0.536和0.519;与亚克力板的滚动摩擦系数分别为0.0077、0.0138和0.0088。最后,通过堆积角试验、最陡爬坡试验确定二次回归正交旋转组合试验,得到红富士、花牛和黄元帅同种苹果间的碰撞恢复系数分别为0.487、0.3348和0.469;静摩擦系数分别为0.584、0.869和0.644;滚动摩擦系数分别为0.084、0.096和0.093。试验结果表明,红富士、花牛和黄元帅苹果仿真试验与物理试验的休止角相对误差分别为5.95%、6.55%、8.67%。研究结果可为苹果物理特性和低损采收技术研究提供理论依据和模型支撑。     

马铃薯种薯机械排种离散元仿真模型参数确定及验证

为方便利用离散单元法优化勺链式马铃薯排种装置的排种性能,该文通过试验、参考文献测定和计算了马铃薯基本物理参数(密度、弹性模量、泊松比和恢复系数);利用自制的马铃薯静摩擦系数测定装置测定了种薯间、种薯与钢板、种薯与塑料之间的静摩擦系数分别为0.452、0.445和0.517;通过斜面法测定种薯与钢板、塑料的动摩擦系数分别为0.269、0.303。由于通过颗粒堆积法建立的种薯在外形尺寸和质心上与实际薯有一定误差,因此,以种薯堆积角为目标值,通过改变仿真种薯模型的动摩擦系数建立回归模型,预测的种薯间动摩擦系数为0.024;为检验所确定种薯仿真模型参数的可靠性,通过切片造型法构建马铃薯种薯(球形、椭球、不规则)模型,采用确定的参数进行马铃薯堆积角仿真试验,并与试验堆积角进行了对比,结果表明马铃薯仿真与试验堆积角相对误差为1.33%;以勺链式马铃薯排种装置为研究对象,对比仿真和台架试验排种性能指标结果表明,马铃薯仿真与试验相对误差为9.16%,空种率相对误差为6.20%,其相对误差均小于10%;仿真与试验重播率、空种率满足GB/T 6242-2006《种植机械马铃薯种植机试验方法》技术要求。     

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。     

海南热区砖红壤颗粒离散元仿真模型参数标定

为获取适用于海南热区砖红壤与触土部件相互作用的离散元仿真模型参数,该文利用EDEM仿真软件中Hertz-Mindlin with JKR接触模型对海南地区砖红壤进行相关模型参数标定,首先以含水率为7.8%、实际休止角为32.35°的砖红壤为研究对象,以物理试验获取的砖红壤-砖红壤、砖红壤-触土部件间恢复系数、静摩擦系数及滚动摩擦系数为标定对象,应用Plackett-Burman设计试验筛选出对休止角有显著影响的参数:即砖红壤-砖红壤滚动摩擦系数、JKR表面能、砖红壤-28MnB5板滚动摩擦系数、砖红壤-砖红壤恢复系数。进一步以砖红壤颗粒休止角为响应值,基于Box-Behnken设计试验得到休止角与显著性参数的二阶回归模型,并以实际休止角为目标,针对显著性参数进行寻优,得到最佳组合:砖红壤-砖红壤滚动摩擦系数为0.07、砖红壤-28MnB5板滚动摩擦系数为0.24、砖红壤-砖红壤恢复系数为0.4、JKR表面能为4.31J/m^2。最后在标定的参数下进行休止角与破土阻力离散元仿真验证试验,对比计算得出仿真休止角与实测休止角相对误差为0.62%,仿真破土阻力与实测破土阻力相对误差为3.43%,并通过对比分析两次试验中破土阻力变化曲线的拟合情况,得出两曲线间的可决系数R2=0.993 9,均方根误差RMSE=0.017 7,该结果表明标定所得相关参数可用作海南热区砖红壤离散元仿真。     

基于堆积试验的小麦离散元参数分析及标定

为确定小麦离散元仿真参数,以真实试验及不同参数组合下仿真得到的小麦颗粒堆休止角为响应值,基于响应面优化标定了小麦离散元仿真参数。研究应用Plackett-Burman试验对8个初始参数进行筛选,发现小麦-小麦静摩擦系数、小麦-有机板静摩擦系数以及小麦-小麦滚动摩擦系数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试验结果建立了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:小麦-小麦静摩擦系数0.58、小麦-有机板静摩擦系数0.61、小麦-小麦滚动摩擦系数0.08。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(P0.05),表明应用响应面优化标定小麦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小麦离散元仿真参数的选取提供参考。     

基于颗粒缩放的小麦粉离散元参数标定

为获得小麦粉离散元仿真精确的接触参数,将不规则形状的小麦粉简化成软质球形颗粒,利用颗粒接触缩放原理和量纲分析进行颗粒缩放,将平均粒径0.212 mm的小麦粉放大至1.2 mm,选择"Hertz–Mindlin with JKR"接触模型,利用休止角对接触参数进行标定。首先通过Plackett-Burman试验筛选出对休止角影响显著的参数:表面能JKR(Johnson Kendall Roberts)、小麦粉-小麦粉滚动摩擦系数、小麦粉-不锈钢静摩擦系数;然后根据Box-Behnken试验建立并优化休止角与显著性参数的二阶回归模型,得到显著性参数的最佳组合为JKR为0.157、小麦粉-小麦粉滚动摩擦系数为0.25、小麦粉-不锈钢静摩擦系数为0.58;最后用标定参数仿真所得休止角大小与真实试验值进行对比,二者相对误差为0.61%。结果表明标定所得的接触参数可用于小麦粉放大颗粒的离散元仿真,为定量供送螺杆的设计提供参考。     

冰草种子物性参数测定与离散元仿真参数标定

为了提高冰草种子丸化包衣过程离散元仿真模拟试验所用参数的准确度,该研究通过物理试验和仿真试验相结合的方法对仿真参数进行标定。首先,采用物理试验的方法测定冰草种子的基本物性参数（外形尺寸、千粒重、密度、含水率、泊松比、弹性模量和剪切模量）和接触参数（静摩擦系数、滚动摩擦系数和碰撞恢复系数）,参考物理试验测定结果选择仿真试验参数取值范围,采用Plackett-Burman试验对仿真参数进行显著性筛选,筛选试验结果表明：冰草种子-冰草种子静摩擦系数、滚动摩擦系数、碰撞恢复系数对仿真试验休止角有显著性影响。进一步通过最陡爬坡试验确定3个显著性参数最优取值范围,并根据Box-Behnken设计试验得到显著性参数与休止角的二阶回归模型,以物理试验实测的休止角30.54°为优化目标值获得最优参数组合：冰草种子-冰草种子静摩擦系数为0.57、冰草种子-冰草种子滚动摩擦系数为0.74、冰草种子-冰草种子碰撞恢复系数为0.54。最后对物理试验休止角和仿真试验休止角进行双样本T检验得出P>0.05,结果表明仿真得到的休止角与物理试验值无显著性差异,且最优参数组合下仿真试验休止角结果30.86°与物理试验休止角结果30.54°的相对误差为1.037%,进一步验证了仿真试验的可靠性。研究结果表明标定所得的最优参数可用于冰草种子丸化包衣过程的离散元仿真试验。     

机施有机肥散体颗粒离散元模型参数标定

针对有机肥离散元模型接触参数和接触模型参数难以通过查阅文献或试验直接获得的问题,该文提出一种通过仿真试验建立回归模型并结合物理试验寻优的方法,对有机肥离散元模型参数进行标定。考虑到有机肥颗粒间的凝聚力,选择"Hertz-Mindlin with Johnson-Kendall-Roberts"接触模型。应用Plackett-Burman Design对有机肥离散元模型参数进行筛选,得到对休止角有显著影响的参数,即有机肥-有机肥滚动摩擦系数、表面能JKR和有机肥-钢板滚动摩擦系数;通过最陡爬坡试验确定了显著性参数的最优值区间,应用Central Composite Design建立并优化了休止角与显著性参数的回归模型,以实际休止角为目标,求解得到显著性参数最优值,即有机肥-有机肥滚动摩擦系数为0.10,JKR为0.015,有机肥-钢板滚动摩擦系数为0.11。在标定的参数下进行仿真验证试验,仿真休止角与实际休止角的相对误差为0.42%,无明显差异,表明标定的参数准确,可以为有机肥离散元模型参数的选取提供参考。     

基于离散元法的面粉颗粒接触参数标定试验

为设计和优化面粉输送设备,应用离散元法对面粉进行准确地工程建模和分析,需要对其接触参数进行必要的标定。该研究依据颗粒缩放理论,用“Hertz-Mindlin with Johnson-Kendall-Roberts”接触模型表征面粉颗粒间黏性的影响,提出了一种基于静/动态休止角的接触参数标定方法。运用正交试验方法,对接触参数的敏感性和方差分析,表明面粉颗粒间的滚动摩擦系数、面粉颗粒与不锈钢表面间的静摩擦系数、表面能对静态休止角的影响极显著（P＜0.01）,并且多组接触参数都可以模拟出与试验相同的静态休止角。进一步研究表明,面粉颗粒与不锈钢表面间的静摩擦系数的合理取值范围为0.2～0.4。通过2种填充率、4种转速下基于动态休止角的参数标定,将其中与试验最为吻合的一组参数作为标定结果,其值如下：面粉颗粒之间恢复系数为0.6、面粉颗粒之间静摩擦系数为0.2、面粉颗粒之间滚动摩擦系数为0.1、面粉颗粒与不锈钢容器表面之间恢复系数为0.6、面粉颗粒与不锈钢容器表面之间静摩擦系数为0.6、面粉颗粒与不锈钢容器表面之间滚动摩擦系数为0.5、表面能为0.12 J/m²。使用该组参数对矩形容器中物料自由坍塌试验进行仿真,其结果与试验结果相符,验证了该标定方法的有效性。该研究提出的标定方法简单、易执行,对粉料输送设备的设计及优化具有一定的工程应用价值。     

基于无侧限抗压强度试验的土壤离散元参数标定

为标定基于Edinburgh Elasto-Plastic Adhesion (EEPA)模型的土壤离散元参数,该研究通过单轴密闭压缩试验和无侧限抗压强度试验,以无侧限抗压强度σu为黏性指标,轴向应变εn为塑性指标,轴向压力-轴向应变曲线特征参数（a,b）为弹性指标,基于响应面标定了土壤离散元仿真参数。结合文献与实际情况确定参数试验范围,应用Plackett-Burman试验对7个初始参数进行筛选,发现塑性变行比λp和表面能Δγ对黏塑性指标影响显著。根据试验结果,进行2次Central Composite试验,建立σu、εn与黏塑性参数的二次回归模型和σu、εn、 a、b 与弹性参数二次回归模型,并以实测值为目标优化求解,获得的优化参数组合为：塑性变形比为0.36、表面能为15.6 J/m2、恢复系数为0.37、静摩擦系数为0.6、滚动摩擦系数为0.26、黏性分支指数为4.24、切向刚度因子为0.52。最后将该参数组合下的仿真值与实测值进行对比验证,发现仿真εn和b与实测值无显著差异,σu和a与实测值存在较大差异。结果表明基于响应面法标定的EEPA模型参数可表征试验土壤的轴向塑性变形和3%～45%轴向应变内的应力-应变行为。。     

葡萄藤防寒土与清土部件相互作用的离散元仿真参数标定

为系统地研究中国北方地区沙壤土质地的葡萄藤防寒土及其与清土机清土部件常用材料(Q235钢、橡胶)相互作用的离散元仿真参数,以构建准确的土壤离散元仿真模型,该文选用整合延迟弹性模型(hysteretic spring contact model,HSCM)和线性粘附模型(liner cohesion model,LCM)作为土壤颗粒间的接触模型;基于土壤堆积试验,以土壤颗粒间恢复系数、静摩擦系数、滚动摩擦系数和土壤粘附能量密度为因素,以土壤堆积角为指标,利用EDEM进行通用旋转中心组合模拟试验,采用Design-Expert软件对试验数据进行回归分析,以实测的土壤堆积角作为优化目标值,获得土壤颗粒间的最佳接触参数组合;利用土壤屈服试验获得HSCM模型参数;基于斜面滑动法原理,利用倾斜板试验台测得土壤与Q235钢和橡胶之间的静摩擦系数,并以此为基础,采用土壤滑落试验,以滑动摩擦角为响应值,对土壤颗粒与Q235钢和橡胶之间的恢复系数和滚动摩擦系数进行寻优,得到最优解参数组合。为验证标定优化的离散元模型参数的准确性,采用刮土板土槽试验和仿真试验进行对比分析,获得刮土板在土槽试验和仿真试验中的水平前进阻力分别为228.36 N和213.79 N,两者之间的相对误差为6.38%,表明仿真模型中土壤的物理力学特性与实际土壤基本一致,验证了葡萄藤防寒土离散元仿真参数标定结果和研究方法准确可靠。研究结果可为基于离散元法研制适用于北方地区沙壤土质地的葡萄藤防寒土清土机提供理论基础和技术支撑。     

玉米果穗离散元模型构建与脱粒仿真验证

针对玉米脱粒离散元仿真中果穗模型难以表征籽粒分离和芯轴破碎的问题，该研究构建了玉米果穗聚合体离散元模型并进行脱粒仿真验证。基于玉米芯轴3层结构采用分层建模与网格划分方法建立玉米芯轴离散元模型，结合Plackett-Burman试验、最陡爬坡试验、Box-Behnken试验和仿真弯曲试验标定粘结参数；以马齿型玉米籽粒为原型，采用五球粘结的籽粒-芯轴连接方式建立玉米果穗聚合体离散元模型，仿真标定籽粒与芯轴的连接力；最后模拟梯形杆齿、圆头钉齿和纹杆块3种脱粒分离机构的玉米脱粒进程。结果表明：玉米芯轴弯曲破坏力和弯曲刚度仿真结果与实测平均值的相对误差分别为-0.12%和-0.14%，籽粒果柄轴向压缩力和径向压缩力仿真结果与实测平均值的偏差分别为-1.8和2.46 N，3种脱粒分离机构脱粒段仿真区域内籽粒平均法向接触力依次为12.50、12.32和8.03 N，3种脱粒元件对籽粒平均法向接触力的递减趋势与台架试验的籽粒破碎率变化一致，根据籽粒与脱粒元件接触合力的累积频率曲线确定籽粒破碎率的临界接触合力为550 N，仿真未脱净率依次为0.15%、0.37%、0.35%，较台架试验结果分别偏小0.07、偏高0.04和偏小0.25个百分点，沿滚筒轴向籽粒质量分布百分比曲线均表现为正偏态单峰分布，脱粒仿真试验的曲线峰值分别比台架试验高1.03、1.86和0.85个百分点，两者脱粒质量相近。该玉米果穗聚合体离散元模型参数标定准确，能够准确反映籽粒和芯轴的力学特性差异，可还原玉米脱粒分离过程，为后续脱粒分离机构的优化提供参考依据。     

花生种子颗粒离散元仿真参数标定与试验

由于花生排种装置在优化设计过程中缺乏准确的仿真模型参数,从而造成仿真与理论计算结果存在较大误差,一定程度上制约了花生排种装置的发展。该研究系统测定了花生种子的三轴尺寸、颗粒密度、弹性模量、泊松比等本征参数及其静摩擦因数、滚动摩擦因数、恢复系数。通过开展花生种子颗粒堆积试验,标定得到花生种间静摩擦因数为0.213,种间滚动摩擦因数为0.035。为检验标定参数的可靠性,开展了花生堆积角仿真与物理试验对比,结果表明花生物理堆积角和仿真堆积角相对误差为0.22%。通过开展机械式花生精量排种器的仿真与台架排种性能的对比试验,得到排种性能中漏播指数、重播指数相对误差分别为8.24%、5.12%,结果表明花生标定参数具有可靠性。该研究结果可为排种装置的优化设计与仿真研究提供理论参考。