基于离散单元法的水稻籽粒快速颗粒建模研究

[目的]离散单元法(discrete element method,DEM)主要用于离散颗粒物料研究领域,非规则形状颗粒建模耗费大量时间,且模型精度对颗粒间的动力学响应特性有较大影响,故本文采用离散单元法研究水稻籽粒快速颗粒建模方法,旨在提高非规则形状颗粒建模效率及精度。[方法]以‘中早39号’早稻籽粒为研究对象,通过非接触式3D激光扫描法重构籽粒3D模型;采用手动填充颗粒建模方法,设置球体坐标、接触半径及物理半径使填充颗粒模型三轴尺寸及体积接近实际籽粒;采用自动填充颗粒建模方法,对籽粒3D模型划分网格及获取网格单元坐标信息,然后通过工程离散单元法(engineering discrete element method,EDEM)中的应用程序编程接口(API)实现多球快速聚合颗粒建模;通过高斯拟合法对自动填充颗粒建模中的填充参数进行优化分析,并通过籽粒自然堆积角仿真与试验对比验证模型精度。[结果]重构籽粒3D模型与实际籽粒对比尺寸误差均在5%以内;手动填充颗粒模型填充球数164个,耗时约25 h,尺寸误差均在5%以上;自动填充颗粒模型填充球数203个,球体物理半径为1.2 mm时颗粒模型最优,耗时约1 h,尺寸误差除厚度外均在5%以下;自动填充颗粒自然堆积角仿真结果与试验结果误差为0.76%。[结论]基于EDEM中API自动填充颗粒建模方法具有高效、精确等优点,为非规则形状颗粒物料的离散单元法研究提供了一种有效的颗粒建模方法。     

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EEPA接触模型的土壤耕作特性模拟及颗粒球型影响分析

采用EEPA(Edinburgh elssto-plastic adhesion)接触模型模拟土壤耕作特性,探究颗粒球型对土壤离散元模型仿真精度及计算效率的影响。测定了室内土槽土壤的静态堆积角、轴向压力、耕作阻力、耕作堆积角等土壤特性参数,确定并优化了单球土槽土壤离散元模型仿真参数。建立土槽土壤-挖掘犁铲离散元耦合仿真模型并进行仿真参数验证,耕作阻力模拟值与实测值误差为1.70%。以13 mm为等效粒径确定了单球、双球、三球、四球等4种土壤颗粒的外形尺寸,采用单球、单球变粒径、双球、三球、四球、多球混合等填充方式建立了6种虚拟土槽,以耕作阻力、耕作堆积角、仿真时间为试验指标开展挖掘犁铲耕作过程仿真试验。试验结果表明:6种虚拟土槽的耕作阻力模拟值与实测值相对误差均小于8%,能够满足耕作阻力模拟要求;耕作堆积角模拟值与实测值相对误差为2.32%~20.32%,单球变粒径、四球、多球混合等虚拟土槽耕作堆积角相对误差均小于10%;单球土槽挖掘犁铲耕作仿真时间约为80.44 min,受土壤颗粒填充数量、接触关系及颗粒球型等因素影响,其他填充条件下仿真时间均有显著增加。综合考虑仿真精度及计算效率,土壤耕作阻力模拟时虚拟土槽宜采用单球颗粒填充方式,耕作堆积角模拟时虚拟土槽宜采用四球或多球混合填充方式建立。该研究为土壤-机具互作离散元仿真的建模,EEPA接触模型的参数选择,颗粒球型及填充方法的确定提供了依据和参考。     

基于离散元法的水稻种子含水率表征方法

【目的】针对离散元仿真软件EDEM中的输入参数缺少含水率,无法对水稻种子的物理特性进行准确描述的问题,探究表征种子含水率的参数并提出标定方法.【方法】利用圆筒试验法和EDEM仿真试验,找到了1种用颗粒间静摩擦系数来表征水稻含水率的方法,并进行了验证.首先进行了5种不同含水率的水稻种子物理特性试验,验证含水率对水稻种子物理特性的影响,为仿真所需的输入参数提供依据.随后利用圆筒法测量水稻种子堆积角,得到堆积角与含水率的关系,并在EDEM软件中重复该过程,通过单因素重复试验找到对堆积角影响最显著的参数为颗粒间静摩擦系数,得到堆积角与颗粒间静摩擦系数的关系.【结果】颗粒间静摩擦系数为水稻种子含水率的表征参数,其误差小于5%.【结论】在EDEM软件中用颗粒间静摩擦系数表征水稻种子含水率的方法可行,并为其他种子在EDEM软件中含水率的表征提供了思路.     

基于堆积试验的玉米包衣种子离散元参数标定

为获得基于黏结颗粒模型（BPM）玉米包衣种子离散元仿真所需的精确接触参数，基于堆积试验对玉米包衣种子的仿真参数进行标定。对郑单958玉米包衣种子分类筛选后，通过激光扫描仪对轮廓较好的种子进行扫描，得到点云数据，并通过CATIA软件对点云数据进行处理，最终得到玉米种子仿真模型。设计Plackett-Burman试验，通过Isight软件的近似模型与DOE联合模块对试验结果进行分析，筛选出对堆积角影响显著的参数：玉米种子-玉米种子静摩擦系数、法向刚度与切向刚度。基于Isight软件RSM优化模块，根据Box-Behnken试验结果建立堆积角与显著性参数的二阶回归模型，得到参数的最佳组合：玉米种子-玉米种子静摩擦系数0.269、法向刚度2.54×10⁸ N·m^-3、切向刚度5.93×10⁷ N·m^-3。将标定参数仿真所得堆积角与真实试验值进行对比，二者相对误差为0.98%。上述结果表明，响应面分析可用于标定玉米包衣种子的离散元仿真参数，为玉米气力式排种器的结构设计与参数优化提供参考。     

稻谷颗粒模型离散元接触参数标定与试验

EDEM与FLUENT耦合模拟稻谷清选时,稻谷颗粒参数设置的准确性直接影响仿真结果的可信度。结合稻谷颗粒堆积角的实测试验与仿真试验,标定了稻谷颗粒模型间静摩擦系数、滚动摩擦系数2个主要接触参数。设计了堆积角形成装置,该装置采用坍塌法和注入法同时形成2种堆积角,可以减小非同时形成所引起的测量误差;创建了稻谷颗粒的离散元模型,结合堆积角的实测试验与仿真试验,建立了2个主要接触参数与2种堆积角之间的二元回归方程;以稻谷颗粒2种堆积角的实测结果作为目标值,对回归方程进行数值求解,得到颗粒模型间的静摩擦系数、滚动摩擦系数分别为0.433 6、0.161 5;设计了抛洒试验对标定后的参数进行验证,抛洒长度、宽度和近抛洒端堆积角等特征参数的实测结果与仿真结果的相对误差小于5.7%,这表明颗粒的模拟运动轨迹与实际运动轨迹基本一致,所创建的稻谷颗粒离散元模型及标定得到的接触参数可以为EDEM-FLUENT耦合仿真稻谷清选过程提供参考。     

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。     

西南区坡耕地紫色土离散元模型参数标定

土壤离散元模型是离散元法研究土壤与触土部件相互作用的基础。为了获得西南区坡耕地紫色土离散元模型,本文基于堆积试验,采用EDEM2020软件中的Hertz-Mindlin with JKR接触模型,以休止角为响应值,结合土壤本征参数实测试验,对模型参数进行标定。实测参数包括土壤密度、含水率、休止角、粒径分布、颗粒-颗粒静摩擦系数、颗粒-45钢静摩擦系数,利用Origin2021b软件图像数字化工具处理图像,得到实际休止角为34.11°,变异系数为0.452%。利用Design-Expert11软件设计了Plackett-Burman试验,对影响拟合休止角的9个参数进行筛选,得到4个影响显著参数,即颗粒表面能、颗粒-颗粒滚动摩擦系数、颗粒-45钢静摩擦系数、颗粒-45钢滚动摩擦系数。设计最陡爬坡试验进一步缩小模型参数取值范围,设计Box-Behnken试验,对模型进行分析优化,得到4个参数最优组合,即颗粒表面能0.134 J/m²,颗粒-颗粒滚动摩擦系数0.231,颗粒-45钢静摩擦系数1.045,颗粒-45钢滚动摩擦系数0.228。结果表明,仿真休止角与实际休止角相...     

前胡种子物性参数测定及其离散元仿真模型参数标定

【目的】为确定前胡排种器离散元仿真所需的物性参数,对前胡种子物性参数进行测量及标定.【方法】采用空心圆筒堆积试验法与EDEM仿真结合的方法,结合图像处理技术测定前胡种子堆积角,基于响应面优化法对前胡种子物性参数进行标定,采用Plackett-Burman法从7组因素中筛选出了2组前胡种子堆积角影响显著的因素,再根据星点设计-效应面法试验原理,对前胡种子与前胡种子静摩擦系数、前胡种子与前胡种子滚动摩擦系数进行响应面分析试验.用效应面法预测影响显著因素的最佳参数组合.【结果】前胡种子密度为0.129 g/cm~3,前胡种子与尼龙板静摩擦系数为0.55,前胡种子与前胡种子静摩擦系数0.53,前胡种子与前胡种子滚动摩擦系数为0.05,将最佳参数组合进行仿真试验得到的堆积角与真实试验所得堆积角进行对比,相对误差在2.05%以内,在允许误差范围内.【结论】通过EDEM快速填充的方法建立了前胡种子离散元颗粒模型,为后续前胡的研究奠定了基础.通过空心圆筒法结合图像处理技术,获得了前胡种子堆积角均值为40.93°.     

水稻机械直播的土壤表层泥浆离散元参数标定

【目的】针对水稻机械直播稻田播前土壤与触土部件的相互作用机理不明确等问题,可利用离散元分析法研究影响水稻精量穴直播质量的因素。由于播前土壤的结构复杂,其表层泥浆与耕层存在一定差异,因此,需分层构建复合土壤模型。为获取精确的水稻机械直播的表层泥浆离散元参数,开展试验研究和仿真分析,并标定表层泥浆的离散元仿真参数。【方法】按照水稻精量穴直播的整地要求处理,并在播种前去田间获取表层泥浆,采用漏斗法进行泥浆堆积角试验,利用数显倾角仪多次测量泥浆堆积角并取平均值。选择EDEM离散元软件中Hertz-Mindlin with JKR接触模型,开展泥浆堆积角仿真试验。以堆积角为响应值,通过Plackett-Burman试验筛选出对堆积角影响显著的3个参数,进一步开展最陡爬坡试验缩小显著性参数的取值范围。采用Box-Behnken试验建立表层泥浆堆积角与筛选的显著性参数的回归模型,并以物理试验测得的泥浆堆积角为目标值,对显著性参数寻优得到最佳参数组合。将最优参数代入仿真软件验证表层泥浆颗粒离散元参数的准确性。【结果】泥浆堆积角物理试验获取表层泥浆堆积角为40.20°。Plackett-Burman试验...     

基于堆积试验的黑水虻离散元仿真参数标定与分析

为解决黑水虻在畜禽粪便处理后续分离环节中应用筛分机械作业难、缺乏准确离散元仿真模型等问题,以黑水虻为研究对象,基于EDEM仿真软件模拟,选取系统中"Hertz-Mindlin with JKR"接触模型,以堆积角为评价指标,对黑水虻离散元仿真模型参数标定进行研究.首先,通过Plackett-Burman试验筛选对黑水虻...     

考虑颗粒间黏结力的黏性土壤离散元模型参数标定

【目的】实现黏性土壤离散元模型的接触参数与接触模型参数标定。【方法】基于土壤堆积角物理试验结果,采用考虑颗粒间黏结力的"Hertz-Mindlin with JKR"接触模型进行土壤堆积角仿真试验,借助GEMM(Generic EDEM material model database)数据库获得离散元模型关键参数(包括JKR表面能、恢复系数、静摩擦系数与动摩擦系数),进一步运用Box-Behnken试验方法进行堆积角仿真试验。【结果】通过对试验结果进行多元回归拟合分析获得了堆积角回归模型,回归模型的方差分析表明该模型极显著,试验因素对堆积角的影响为二次多项式,且存在复杂的一次与二次交互作用。以堆积角40.45°为目标对回归模型进行寻优,得到了优化解:JKR表面能7.91J·m-2;恢复系数0.66;静摩擦系数0.83;动摩擦系数0.25。以此优化解进行仿真试验获得的堆积角为39.73°。堆积角仿真试验与物理试验在堆积角度和形状上具有较高的相似性。【结论】可利用该优化参数对样品土壤进行进一步的黏性土壤与触土部件间的离散元仿真,从而揭示黏性土壤在触土部件作用下的运动规律。     

基于PFC~(3D)的玉米籽粒离散元参数研究

离散元法多用于模拟颗粒类离散单元体的运动状态以及受力情况,基于PFC~(3D)软件建立的玉米颗粒不仅在外形、质量上有区别,而且在玉米颗粒之间的接触情况也有差别,所以正确有效的仿真参数是数值模拟试验的基础,且颗粒之间的运动以及受力情况还要考虑离散元软件中的接触模型。针对此问题,本文依托玉米直剪试验采用响应面法对线性接触模型下的玉米离散元参数进行标定,以内摩擦角为响应值得到在此接触模型下3个显著影响因子分别是阻尼系数、摩擦系数、剪切模量。试验数据用Design Expert分析软件得出该内摩擦角与显著影响因子的回归方程,以实际试验结果作目标值解出3个显著影响因子:玉米剪切模量为385kPa、阻尼系数为0.62、种间摩擦系数为0.051。将标定后的参数进行不同法向压力的数值模拟直剪试验,结果表明:数值模拟直剪试验结果与实际结果最大误差为5.69%,该参数可以应用于线性接触模型下模拟试验,为基于PFC~(3D)软件的玉米离散元数值模拟提供依据。     

谷壳垫料颗粒离散元模型参数标定

为了得到异位发酵床垫料颗粒精准的离散元模型接触参数,以谷壳作为发酵床垫料,对谷壳部分物理参数及其物理力学特性进行测定分析,利用离散元仿真软件进行谷壳堆积角的模拟试验.选用Hertz-Mindlin(no slip)模型作为颗粒之间的接触模型,以堆积角作为评价指标,选取谷壳间的静摩擦系数、谷壳间的滚动摩擦系数及谷壳的剪切...     

鲜莲籽离散元仿真参数标定

【目的】确定鲜莲籽机械化加工过程中离散元仿真模型参数,为鲜莲籽机械化加工仿真试验提供数据参考。【方法】本研究利用EDEM仿真软件开展鲜莲籽离散元仿真参数标定。以产自湖北洪湖的‘太空莲36号’为试验对象,通过落种试验测定鲜莲籽实际落种的堆积角和休止角。基于Hertz-Mindlin (no slip)接触模型进行鲜莲籽落种仿真试验,以鲜莲籽堆积角和休止角的实测值与仿真值之间的误差为试验指标,通过PlackettBurman试验确定对堆积角和休止角影响显著的接触参数,通过最陡爬坡试验确定鲜莲籽离散元模型最优接触参数组合。采用料斗进行实际落种验证试验,以莲籽落种速率为试验指标,对比实际与仿真落种验证试验莲籽落种速率,验证最优参数组合可靠性。【结果】莲籽间静摩擦系数、莲籽间滚动摩擦系数对堆积角影响极显著(P<0.01);莲籽间滚动摩擦系数对休止角影响极显著(P<0.01),莲籽间静摩擦系数、莲籽-有机玻璃静摩擦系数对休止角影响显著(P<0.05)。最优接触参数组合为莲籽间静摩擦系数0.4、莲籽间滚动摩擦系数0.02、莲籽-有机玻璃静摩擦系数0.4。落料验证试验结果表明,实际试...     

生物炭基肥离散元模型参数标定与试验

生物炭基肥料是近年来新兴的一种农业投入品，然而生物炭基肥料还田施用的机械化程度尚属较低水平。为促进生物炭基肥料机械化还田的理论和实践发展，寻求最优生物炭基肥离散元模型接触参数组合，指导生物炭及炭基肥料还田机械的设计和试制，提出了一种真实试验与仿真试验结合的方法，对生物炭基肥颗粒数学模型开展研究，验证数值方法的适用性和准确性。以生物炭颗粒堆积角的实际测量值为目标值，通过物料特性研究了创建法向力、切向力和附着力接触模型，利用离散元仿真软件ESSS Rocky DEM对生物炭基肥颗粒离散元参数进行标定，设计Placket-Burman试验获取对堆积角有显著影响的参数，通过最陡爬坡试验得到显著因素参数区间，最后通过Box-Behnken试验优化参数组合。结果表明：生物炭基肥料颗粒粒径占比2mm为35%,3 mm颗粒占比为42%,4 mm颗粒占比为23%，颗粒平均含水率为5%，测得炭颗粒堆积角实际值为23.65°；对炭基肥颗粒接触参数有显著影响的因素为炭—炭滚动摩擦系数、炭颗粒表面能JKR以及炭—钢滚动摩擦系数，最优化参数组合为炭—炭滚动摩擦系数0.36、炭颗粒表面能0.30、炭-钢滚动摩擦系数...     

基于离散元的鱼饲料仿真参数标定与试验

为全面研究鱼饲料的离散元仿真物性参数，以渔用硬颗粒3.0中号饲料为研究对象，通过密度测量试验与单轴平板压缩试验测得硬颗粒饲料的密度、弹性模量、剪切模量、泊松比数值分别为1 096 kg/m³、336.32 MPa、126.65 MPa、0.33。同时在EDEM仿真软件中建立硬颗粒饲料离散元模型，结合台架试验与仿真试验对硬颗粒饲料-钢以及硬颗粒饲料-尼龙之间的碰撞恢复系数、静摩擦因数、滚动摩擦因数进行标定，其值分别为0.380、0.538、0.028，0.405、0.356、0.033。结合堆积角试验，通过最陡爬坡试验和Box-Behnken响应面优化试验，标定硬颗粒饲料间的碰撞恢复系数为0.364、静摩擦因数为0.236、滚动摩擦因数为0.13。运用自主研发的投饵机进行参数验证试验，以硬颗粒饲料分布变异系数C_V为评价指标，得出实际硬颗粒饲料分布变异系数与仿真硬颗粒饲料分布变异系数的相对误差为1.709%，表明本研究中建立的渔用硬颗粒饲料的离散元模型以及标定的硬颗粒饲料物性参数可用于EDEM离散元仿真试验。     

基于响应面法的玉米籽粒离散元参数标定

【目的】离散元法普遍用于模拟农业物料在农业生产过程中的运动状态。离散元模拟的准确度取决于所使用的离散元参数,对颗粒离散元参数进行标定,为其在仿真试验中的应用提供可靠基础。【方法】以玉米籽粒为研究对象,以堆积角为响应值,将采用不同参数组合的仿真试验结果与实体试验结果对比,提出一种基于响应面法的离散元参数标定方法。采用Plackett-Burman试验对玉米籽粒离散元参数进行显著性检验,筛选对响应值影响显著的因素;根据最陡爬坡试验确定显著性因素的最佳水平范围;采用中心组合设计进行3因素5水平响应面优化试验。【结果】玉米泊松比与玉米–玉米静摩擦系数交互作用显著,得到玉米籽粒离散元参数最佳组合为玉米泊松比0.438、玉米–玉米静摩擦系数0.182、玉米–玉米滚动摩擦系数0.051。采用标定好的参数进行仿真试验得到堆积角平均值为26.89°,接近实体试验的堆积角值。【结论】基于响应面法的玉米籽粒离散元参数标定方法是可行的,可以提高玉米籽粒离散元仿真试验的准确性。     

基于堆积试验的壤土离散元参数的标定

为获取南方地区黏弹性壤土颗粒离散元接触模型的本征物理参数和接触力学参数,建立其用于离散元仿真的接触模型。以试验测定的堆积角为40.95°的壤土为研究对象,选取Hertz–Mindlin with JKR接触模型,通过实测试验获取壤土的本征物理参数值;借助GEMM数据库推荐的土壤接触力学参数初选范围,通过最陡爬坡试验得到接触力学参数值的最优值区间。利用Design–Expert软件对最优值区间的接触力学参数进行4因素3水平二次正交旋转组合试验,获取堆积角回归模型,以实测土壤堆积角40.95°为目标,对回归模型进行接触力学参数寻优,得到接触力学参数的最优组合为:JKR表面能13.05 J/m2,恢复系数0.5,动摩擦因数0.15,静摩擦因数1.06,该最优组合参数仿真堆积角均值为41.07°,与实测堆积角误差为0.3%。     

蔗段离散元仿真建模方法与参数标定

【目的】蔗段作为大长径比秆状物料，其离散元模型的构建方法与仿真参数的设定尚不清楚，仿真模型精度对颗粒间的动力学响应特性有较大影响，需通过参数标定提高仿真参数的准确性。【方法】以蔗段物理堆积角为响应值，采用仿真试验方法优化标定离散元参数。首先，采用物理试验测定蔗段的基本物性参数，并基于多球聚合模型和XML的方法构建蔗段仿真模型；然后，应用Plackett-Burman试验对蔗段离散元仿真中的8个初始参数进行显著性筛选，并对显著性参数进行最陡爬坡试验，确定最优参数区间；最后，基于Box-Behnken试验建立显著性参数与堆积角的二阶回归方程，以物理试验堆积角42.70°为目标值，对回归方程进行优化求解。【结果】显著性筛选试验得出蔗段泊松比、蔗段-蔗段静摩擦系数、蔗段-蔗段滚动摩擦系数对仿真堆积角影响显著；最优参数组合为：蔗段泊松比0.35、蔗段-蔗段静摩擦系数0.53、蔗段-蔗段滚动摩擦系数0.04。最优参数组合的仿真试验结果表明，仿真堆积角与物理试验堆积角无显著性差异，两者相对误差为0.99%，进一步验证了蔗段离散元标定参数的可靠性。【结论】蔗段离散元模型与最优仿真参数可用于蔗段离散元仿...