推土板表面形态对土壤动态行为影响的离散元模拟

土壤行为的变化过程直接受触土部件结构的影响,研究不同表面推土板作用下土壤动态行为的变化规律和影响因素对于触土部件的优化设计具有重要意义。根据液桥对土壤微观力学结构的影响,在传统离散单元法理论的基础上,建立了土壤颗粒接触非线性力学模型,并对光滑和波纹形表面形态推土板前端土壤的动态行为进行了离散元模拟。结果表明：离散元模拟不仅准确再现了实验中表面形态对板面前端土壤动态行为影响的定性和定量结果,而且通过离散元细观分析从土壤内部土壤颗粒运动合理解释了土壤宏观形态的变化规律以及推土板表面形态对土壤动态行为的影响,即波纹形表面使板面前端土壤波动频率变大,而波动幅度变小。该研究为土壤－机械相互作用分析提供了新的研究思路和手段。     

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...     

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。     

土壤-水稻前茬离散元仿真参数标定及其旋耕轨迹分析

在进行稻油轮作区域水稻收获后旋耕作业中的前茬运动、受力仿真分析时,由于缺乏可靠的离散元仿真参数难以准确计算土壤-水稻前茬运动规律和相互间受力。该研究采用EDEM软件对土壤-水稻前茬混合物内部各物质的物理与接触参数进行离散元仿真标定。首先测定了土壤-水稻前茬混合物内各物质物理与相互间接触参数,以堆积角作为评价指标,利用仿真试验分析进行了显著因素筛选、最优水平取值范围确定及二阶回归模型下最佳参数寻优对参数进行了标定,得到土壤-水稻前茬混合物模型极显著参数的最优组合为土壤-土壤恢复系数0.407、土壤-土壤动摩擦系数0.123、土壤-水稻前茬静摩擦系数0.596、土壤表面能1.860 J,此时与试验堆积角误差为0.58%。并进行了土壤-水稻前茬间的直剪试验与仿真,得到了稳定后不同垂直应力下试验与仿真的直剪切应力误差分别为：5.4%（50 kPa）,4.1%（100 kPa）,3.1%（150 kPa）。最后在最优参数组合下,开展了基于MBD-DEM的旋耕土壤-水稻前茬轨迹分析试验,分析得到前茬跟随旋耕刀及直接被掩埋两种埋覆场景,仿真与土槽试验轨迹的Spearman秩相关系数分别为0.91,0.84,验证了仿真模型标定参数的准确性。研究结果可为水稻前茬旋耕轨迹调控过程的离散元仿真分析提供可靠的接触参数。     

小麦籽粒振动筛分黏弹塑性接触模型构建及其参数标定

为更好地模拟小麦籽粒(麦粒)振动筛分过程,该文在现有离散元接触模型基础上,通过EDEM软件应用程序编程接口,构建了一种麦粒黏弹塑性接触模型。该接触模型法向方向通过将Kuwabara and Kono非线性黏弹性接触模型中的黏性耗散项引入Thornton滞回接触模型进行构建;切向方向采用简化Thornton切向接触模型;滚动摩擦力矩计算同Hertz-Mindlin(no slip)接触模型。法向模型参数标定采用单轴加载-卸载试验、碰撞试验,分别构建了模拟-试验接触力误差平方和与麦粒屈服重叠量、恢复系数与法向阻尼系数的二阶回归方程,得到麦粒屈服重叠量为7.63×10-6 m,麦粒-麦粒/钢板法向阻尼系数分别为190.68和306.65。切向模型参数利用旋转鼓试验进行标定,得到最佳麦粒-麦粒/钢板静摩擦系数组合为0.40和0.44。最后利用振动筛分试验对所标定参数进行验证,模拟与试验所得筛下麦粒质量分数最大误差为8.97%,模拟中筛下物分布规律与试验结果无显著性差异,表明所建立的接触模型及标定的参数能够很好地模拟麦粒振动筛分过程。该文也可为其他农业物料黏弹塑性接触模型构建及其参数标定提供参考。     

基于离散元的玉米种子颗粒模型种间接触参数标定

由于EDEM(离散元法)中建立的玉米种子颗粒模型与实际玉米种子在外形、表面粗糙度等方面存在差异,若直接将实际测量的物性参数引入EDEM中进行仿真,会出现仿真失真的情况。针对此问题,该文提出一种建立数学回归模型主动寻找目标参数的方法,简化标定过程,将仿真试验和真实试验相结合,对玉米种子颗粒模型的种间静摩擦系数和滚动摩擦系数两个关键参数进行标定,使其在EDEM中建立的玉米种子颗粒重新获得与真实颗粒相近的物理特性。利用两种接触材料(有机玻璃板与铝质圆筒)进行玉米种子堆积角仿真试验,建立两个自变量为种间静摩擦系数、种间滚动摩擦系数的二元回归方程。以实际测量种群堆积角作为已知目标量进行数值求解,求得EDEM中玉米种间静摩擦系数和滚动摩擦系数这两个目标参数:玉米种间静摩擦系数为0.0338,玉米种间滚动摩擦系数为0.0021。将标定的玉米种子物性参数输入EDEM中进行仿真试验,通过提取关键特征尺寸和图像边界将试验结果与实际试验结果进行对比,结果表明:关键特征尺寸数值差异在4.70%以内,标定后的玉米种子堆积角边界与实际情况更接近,提高了仿真结果的可靠性。     

胡麻籽粒离散元仿真参数标定与排种试验验证

为借助离散单元法优化胡麻机械化生产装备提供胡麻基本参数,该文对甘肃省普遍种植的定亚22号、陇亚10号、陇亚13号3种胡麻籽粒通过试验法测定了胡麻籽粒的基本物理参数（3个方向尺寸、质量密度、体积密度、泊松比、千粒重、含水率、弹性模量）和接触力学参数（恢复系数、静摩擦系数）;通过调整胡麻模型的滚动摩擦系数条件下形成的胡麻堆积角逼近胡麻实际堆积角方法,预测胡麻滚动摩擦系数。结果表明：定亚22号胡麻滚动摩擦系数为0.041 5、陇亚10号为0.042 5、陇亚13号为0.042 0。探讨了胡麻堆积角形成过程中滚动摩擦系数对胡麻与底板接触数量、胡麻动能和重力势能影响变化规律,结果表明：随着滚动摩擦系数的减少,胡麻与底板的接触数量增加,胡麻种群的转动动能呈先增加后减小的变化趋势;减小胡麻滚动摩擦系数,其转动动能增加。通过设计的异型窝眼轮排种仿真和大田试验可知,胡麻平均穴粒数为9.5粒,标准差为1.5粒;大田试验的平均穴粒数为9粒,标准差为1粒。仿真和试验结果的穴粒数平均值的相对误差为5.26%,基本满足西北旱区胡麻播种机械设计参数优化需求。     

渗流侵蚀模拟中离散元模型参数影响性分析

[目的] 由于工程中渗流侵蚀发生的隐蔽性和发展的复杂性,离散元模拟成为学者开展渗流侵蚀机理研究的重要手段。固体模型的参数化构建通过控制模型内部颗粒的填充和分布影响水流作用下颗粒的运移和流失,是开展渗流侵蚀离散元模拟的关键环节。[方法] 当前有关离散元模型参数的研究主要为单参数讨论,从土体孔隙、土体颗粒和墙体边壁3个维度出发,考虑孔隙率、颗粒重叠比和墙体模量的变化构建6组土体模型,对其进行向上渗流计算并记录内部颗粒流失过程、力链结构变化及孔隙率变化过程,以评估3个参数对模型的影响性大小并从细观角度分析离散元模型参数对渗流侵蚀过程的影响机理。[结果] 离散元模型参数通过影响模型内部的颗粒和力链组成影响水流作用下颗粒的流失阶段。初始孔隙率控制模型内部的颗粒填充数目;墙体模量和颗粒重叠比影响模型内部的接触数目。颗粒和接触数目较多的模型,其内部颗粒多以颗粒群的形式移动;反之,不形成接触的自由细颗粒以单颗粒在模型内部发生纵向迁移,孔隙率曲线呈现波动变化。[结论] 研究结果从细观角度阐述参数对模型的影响,以期为基于流固耦合理论的离散元模拟方法的使用提供理论参考。     

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。     

基于仿生脱粒的鸡喙啄取玉米果穗引起籽粒离散过程分析

在先离散后脱粒工艺基础上,为探究玉米果穗的低损伤离散,该文利用玉米离散试验系统对鸡喙啄取玉米籽粒的过程进行试验研究。结果表明,鸡喙接触玉米籽粒后,籽粒离鸡喙越近,推力的水平分力越大,籽粒运动越明显,越容易从果穗上分离下来,籽粒离鸡喙越远,推力的水平分力越小,籽粒越难与果穗分离;离散过程中,籽粒遵循"组砌规律"进行力的传递,传递的范围近似为"塔形",脱离果穗的籽粒的运动类似于斜抛运动;玉米果穗在果穗切线方向上的受力最大,其次是玉米果穗轴线方向上的受力,垂直于试验台方向上的受力最小;验证试验结果:玉米果穗的平均离散率为67.53%,平均离散损伤率为0.16%,表明模仿鸡喙的离散辊对玉米果穗有较好的离散效果,且损伤率低。该研究对低损伤玉米脱粒系统的设计提供了仿生学思路。     

水稻谷粒与脱粒元件碰撞过程的接触力学分析

针对中国水稻在机械化收获过程中稻谷损伤严重,脱粒装置的设计仍以经验为主等现状,从碰撞的角度,建立了谷粒与脱粒元件接触过程的位移量和最大压力分布方程,并以钉齿脱粒滚筒为例,求得了稻谷产生应力裂纹或破碎时稻谷与脱粒元件碰撞的临界相对速度,室内台架试验验证了理论分析的正确性,为深入研究水稻谷粒与脱粒元件的相互作用、稻谷的脱粒损伤机理以及脱粒装置的设计提供了理论依据。     

基于颗粒聚合体的玉米果穗建模方法

在采用离散元法分析玉米脱粒过程时,需要建立玉米果穗的分析模型。该文根据玉米果穗的结构和形态,提出基于颗粒聚合体的玉米果穗分析模型建模方法,并研制了玉米果穗的建模软件,同时添加到自主研制的玉米脱粒过程分析软件中。通过实际玉米果穗与其分析模型的对比和玉米脱粒过程的初步仿真分析,证明了该玉米果穗建模方法的可行性,为采用离散元法分析玉米的脱粒过程奠定了基础。     

基于离散元法的糙米匀料盘仿真优化设计

为提高糙米调质过程中的加湿均匀性,在现有匀料技术的基础上,设计了一种曲面式匀料盘。采用离散元法建立匀料盘仿真模型,分析了匀料盘结构参数及运行条件对料层厚度均匀度的影响规律,结合响应面分析法得到各因素的最优组合。仿真结果表明:曲面形式(抛物线系数)对糙米的分布影响极显著(P0.01),进料量(导流管直径)对糙米的分布影响显著(P0.05),匀料盘转速对糙米分布影响不显著(P0.05);综合考虑匀料要求,确定最优结构参数为:匀料盘抛物线方程系数为0.02、导流管与匀料盘直径比为0.1875,最佳运行条件转速为183 r/min,此时料面厚度变异系数可达4.42%。仿真结果与验证结果基本一致,相对误差为2.62%,证明离散元单元法仿真分析曲面式匀料盘工作性能的可行性。     

不同改流体对稻种颗粒在料仓卸料流动的影响

为探明不同改流体对稻种颗粒在料仓卸料流动的影响机理,实现种群流动从中心流到整体流转变,改善种群流动环境,该研究利用离散元法（discrete element method,DEM）建立传统料仓、垂直扰动和水平扰动料仓模型与稻种颗粒仿真模型,进行卸料数值模拟,并与料仓实际卸料试验作流型对比,验证离散元模型与数值模拟结果准确性。整体流指数（mass flow index,MFI）与z轴颗粒速度表明传统和垂直扰动料仓中部区域颗粒速度均随颗粒堆积高度增加而减小,边壁区域颗粒速度均随颗粒堆积高度增加而增大;而水平扰动料仓边壁区域颗粒速度随料仓颗粒堆积高度增加而减小,中部区域颗粒速度随颗粒堆积高度增加而增大;传统料仓,垂直和水平扰动料仓的流型转化高度分别为130、118以及130 mm。料仓不同区域种群垂直速度、水平速度和角速度表明,种群垂直速度在垂直与水平改流体作用下,相较传统料仓流动区域分别降低34.82%和83.46%;随料仓颗粒堆积高度降低,种群水平速度波动增大,传统料仓、垂直及水平扰动料仓颗粒水平速度标准差分别为0.0273、0.0187以及0.0103 m/s。传统和垂直扰动料仓中心和边壁区域颗粒角速度变化相似,垂直扰动料仓中心区域角速度峰值小于传统料仓;水平扰动与传统料仓流动区域颗粒角速度变化相似,但水平扰动料仓颗粒角速度变化小。研究结果可为工程提出改流体设计标准、结构与位置参数及提高料仓使用面积提供参考。     

基于离散元法的牛肉咀嚼破碎模型构建

为了实现准确、便捷、客观地牛肉嫩度分级检测。该文利用离散单元法构建牛肉块在口腔中咀嚼破碎模型,并进行仿真模拟。研究中选取50头牛的眼肉作为试验样品,30头牛用于构建模型,20头牛用于验证仿真模型的准确性。试验牛样品在75~80℃的恒温水浴中加热至样品内部温度达到70℃时取出,冷却至室温(20℃)。利用质构仪测得牛肉样品的剪切模量、法向刚度等参数,同时测得密度、碰撞恢复系数、摩擦系数等构建离散元模型需要的相关参数。利用测得的参数构建牛肉咀嚼破碎的离散元仿真模型。将咀嚼破碎的牛肉微颗粒作为离散单元模拟仿真中的最小单位,利用Hertz-Mindlin with bonding模型中的颗粒体积力将牛肉块替换为微颗粒黏结的颗粒簇。在咀嚼作用下,当任意2个微颗粒之间的法向应力和切向应力超过最大极限值时,颗粒簇就开始破碎,仿真牛肉的咀嚼破碎过程。研究中利用离散元模拟仿真4个咀嚼周期并记录力和牛肉颗粒的变化。采用感官评定法和剪切力测定分别验证仿真的准确性,准确率都达到90%。研究表明,利用离散元模拟仿真能有效地实现牛肉嫩度等级的预测评定,为牛肉嫩度品质检测提供新方法。     

具有塑性变形的转盘轴承有限元分析方法

为了计算考虑支撑结构柔度和材料塑性变形影响的大型重载转盘轴承内部载荷分布和接触应力,将内外圈滚道与滚动体接触等效成单向压缩弹簧,从而建立包括支撑结构在内的轴承整体简化有限元模型.等效弹簧系数由单个滚动体的载荷-弹塑性变形关系曲线确定,而单个滚动体的载荷-弹塑性变形关系应用有限元接触分析法求得.算例分析表明对于具有塑性变形的转盘轴承,接触变形、滚动体载荷分布、内外圈应力、接触应力等赫兹理论计算结果与有限元弹塑性分析法计算结果存在较大差异.因此,对于大型重载转盘轴承不适合采用赫兹理论进行分析计算.     

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。     

基于离散元法的杂交稻振动匀种装置参数优化与试验

杂交稻栽培要求少本稀植、利用分蘖能力提高产量,现有的机械化播种技术不能满足此要求,亟需进行杂交稻精密播种技术的机理探讨。为探明振动匀种装置匀种过程中V-T型振盘的振频和振幅对杂交稻种群运动规律的影响,以及种群流动特性对播种性能的影响,该文基于离散元法,采用Hertz-Mindlin无滑动接触模型,实现了V-T型振盘工作过程模拟,得到振盘振频为57~59 Hz时,种群在振盘中分布均匀,播种效果较好。试验验证表明,利用离散元法模拟振动匀种装置匀种过程具有较高的准确性。在仿真结果的基础上,选取振盘振动臂材料、振动器安装角、气动振动器进气压强作为试验因素,进行了振动匀种装置参数优化试验,获得了杂交稻种子低播量下的最佳工作参数组合为振盘振动臂材料为60Si2Mn,振动器安装角度为47.5°,进气压强为0.26 MPa;此时播种合格指数为92.86%,空穴指数为1.14%,有效地提高了现有播种装置的性能。该研究对提高杂交稻精密播种技术提供了参考。