玉米根系离散元模型建立及仿真参数标定研究

为研究秸秆饲料收获机工作时玉米根土复合体受力变化情况,利用离散元法建立了整根玉米根系颗粒粘结模型。根据玉米根系物理特性,选取Hertz-Mindlin with Bonding颗粒接触模型;为准确获取离散元仿真参数,采用根系剪切试验与离散元仿真相结合的方法,对离散元参数进行标定。以根系峰值剪切力为响应值,采用Design Expert软件依次设计Plackett-Burman试验、最陡爬坡试验与Box-Behnken试验,得到最优仿真参数,即颗粒间剪切模量为6.6MPa、粘结刚度为1.139×10⁶N/m³、极限应力为1.1885MPa。结果表明：仿真值与实际值相对误差为2.12%,仿真标定结果真实可信。最终,根据根系实际尺寸,采用颗粒快速填充方法建立整根玉米根系模型,旨在为后续秸秆饲料收获机械离散元仿真提供参考依据。     

基于离散元的土壤模型参数标定方法

离散元法(EDEM)建立土壤模型过程中部分土壤颗粒参数直接测量难度较大,若基于间接测量的土壤参数值建立离散元土壤模型进行仿真,导致仿真结果误差较大。本文结合代理模型基本理论,提出一种离散元土壤模型的参数标定及优化方法,步骤如下:根据基本试验测定的参数建立离散元土壤模型;结合堆积角及剪切试验,利用模型仿真进行模型参数敏感性分析;以敏感性参数为变量,以真实试验测量值为目标值构造代理模型;通过高斯-牛顿迭代法进行参数优化。由敏感性分析结果知,代理模型自变量为土壤颗粒半径、颗粒间静摩擦因数及滚动摩擦因数,目标量为土壤堆积角、黏聚力、内摩擦角。以涿州保护性耕作试验站土壤(砂壤土)为原型,经优化建立的土壤模型变量参数值分别为:颗粒半径5.7 mm,颗粒间静摩擦因数0.45,滚动摩擦因数0.21。将建立的离散元土壤模型进行轮胎-土壤相互作用仿真模拟,分析轮胎-土壤接触面最大应力、平均应力,并通过田间试验进行验证,将接触面最大应力值、平均应力的仿真值与实际测量值进行比较,结果表明:虚拟仿真与实测值之间数值差异在5.1%以内,标定优化后的土壤模型能够近似代替真实土壤进行仿真。     

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。     

颗粒饲料破损离散元仿真参数标定

为了探究气力输送中颗粒饲料的破损机理,针对当前缺乏颗粒饲料准确破损仿真模型的问题,利用EDEM仿真软件进行颗粒饲料破损离散元仿真参数标定研究。以粒径为2.50 mm混养成鱼颗粒饲料为研究对象,通过基础试验测定了颗粒饲料本征参数;通过颗粒饲料休止角试验、碰撞恢复系数标定试验和落料时间,结合试验优化设计方法,确定了饲料间的碰撞恢复系数、静摩擦因数、滚动摩擦因数为0.58、0.23、0.12,饲料和软塑料（软PVC）间的碰撞恢复系数、静摩擦因数、滚动摩擦因数为0.69、0.22、0.18;通过颗粒饲料单轴压缩破碎试验和仿真试验,结合响应面优化确定了单位面积法向刚度、单位面积切向刚度、临界法向应力、临界切向应力,分别为2.25×10⁹ N/m³、8.05×10⁸ N/m³、455 MPa、305 MPa。以确定的参数进行休止角仿真试验、单轴压缩仿真试验,结果表明,休止角、破碎力、落料时间的仿真值与实测值相对误差分别为0.35%、1.43%、2.81%;通过自由落料、斜面滑动、斜面滚动试验对粘结模型接触参数进...     

颗粒肥料离散元仿真摩擦因数标定方法研究

对分体圆筒法、倾斜法、抽板法和斜面法4种颗粒特性测试方法进行Plackett-Burman多因素显著性筛选试验,试验方差分析结果表明,不同的测试方法影响测量结果的显著因素与因素显著程度。根据分体圆筒法、倾斜法和斜面法的方差分析结果,提出一种基于颗粒物料整体特性的摩擦因数标定方法,将仿真试验与真实试验相结合,依次标定出尿素颗粒与PVC材料间静摩擦因数为0. 41,颗粒间静摩擦因数为0. 36,颗粒间滚动摩擦因数为0. 15。将所标定的摩擦因数采用无底圆筒法进行验证试验,休止角仿真试验结果为30. 57°,真实试验结果为31. 74°,相对误差为3. 69%,不同含水率下的实际试验休止角与所标定摩擦因数下的仿真休止角相对误差均不大于4. 59%,仿真试验结果与真实试验结果无显著差异,验证了所标定摩擦因数的有效性。本方法可用于其他颗粒状物料间摩擦因数的标定试验。     

蒜种颗粒离散元模型参数标定

为确定蒜种离散元模型仿真参数,采用多球聚合的方法建立了蒜种离散元模型,并对可实现测量的模型参数(蒜种-钢板恢复系数、蒜种-蒜种恢复系数、蒜种-钢板静摩擦因数、蒜种-蒜种静摩擦因数)进行了物理试验测定.对不易测量的模型参数(蒜种-钢板滚动摩擦系数、蒜种-蒜种滚动摩擦系数)进行了仿真试验标定,应用、建立了两种不易测量的接触...     

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...     

蚕豆物性参数测定与离散元仿真参数标定

采用离散元法对蚕豆与收获机具间的相互作用进行数值仿真研究,实现对蚕豆收获机具关键部件相关参数的设计与优化,以提高研究效率、减少研究成本。为此,通过物理试验对蚕豆基本物性参数、接触力学参数和休止角进行测定,参考物理试验测定结果选取仿真试验参数取值范围。以仿真试验休止角为响应值,由Plackette-Burman(PB)试验得到显著影响休止角的试验参数(蚕豆-蚕豆静摩擦因数、蚕豆-钢板静摩擦因数、蚕豆-钢板滚动摩擦因数),并利用最陡爬坡试验在PB试验基础上得到显著参数的取值范围。采用Box-Behnken(BB)试验在休止角与显著参数之间建立二阶回归模型,以休止角物理试验测定值为目标值,对显著参数进行寻优,获得最优参数组合,即蚕豆-蚕豆静摩擦因数0.25、蚕豆-钢板静摩擦因数0.47、蚕豆-钢板滚动摩擦因数0.35。最后,通过T检验得到P>0.05,表明采用最优参数组合得到的休止角仿真值与实测值相差无几,验证了最优参数组合的可靠性。     

不同填充颗粒半径水稻种子离散元模型参数标定

气固两相流耦合仿真被广泛运用在气力式排种器工作过程的研究中,因确定性颗粒轨道数值计算模型的需求,种子多采用颗粒聚合的方法建模,该方法采用的填充球颗粒半径越小、数量越多就越能接近种子的真实形态,但会造成仿真计算资源过度消耗、仿真时间增长。为研究不同填充球半径的水稻种子模型对颗粒间的动力学响应特性的影响,寻找种子模型最佳的填充球颗粒数量,本文以水稻种子为研究对象,借助三维扫描与逆向拟合的方法获取种子外形轮廓,分别采用不同半径（0.30、0.21、0.18、0.16、0.15mm）的球颗粒对其进行填充,形成气固耦合的水稻颗粒粘结聚合模型。采用无底圆筒提升、滑落堆积的真实试验与仿真测定,采用曲面响应法,以休止角为指标,标定出不同填充球颗粒半径种子模型的种间静摩擦因数和动摩擦因数;通过圆筒提升和滑落堆积试验对参数进行验证,以仿真试验休止角的变异系数为指标,结果表明随着填充球半径的减小,仿真结果越接近真实值;通过水稻正压式排种器气固两相流耦合仿真进行验证,以充种率为指标,结果表明填充颗粒半径为0.21mm,仿真时长与仿真精度最优。     

花生荚果离散元仿真参数标定

为保证花生荚果在仿真模拟试验时所用参数的准确性,通过实际物理试验与仿真模拟试验相结合的方法对离散元仿真参数进行标定。首先,通过实际物理试验测得花生荚果基本物理参数(外形尺寸、密度、含水率、容重、泊松比、弹性模量和剪切模量),依据实际物理试验测得的各物理量结果确定仿真模拟试验参数取值范围,开展Plackett-Burman试验,筛选出对堆积角存在显著性影响的因素为：花生荚果—花生荚果静摩擦系数、滚动摩擦系数,花生荚果—钢板静摩擦系数。进一步通过最陡爬坡试验确定显著性因素的取值范围。开展Box-Behnken试验,建立堆积角与显著性因素之间的二次回归方程,并以实际物理试验堆积角(31.63°)为目标值对方程进行求解,得到最佳仿真模拟参数：花生荚果间静摩擦系数、滚动摩擦系数,花生荚果—钢板静摩擦系数分别为0.74、0.24和0.58。最后,对试验分析后确定的最佳仿真参数进行仿真模拟试验,对取得的仿真模拟值与实际试验值进行独立样本T检验得出P>0.05,表明实际试验堆积角与仿真模拟试验堆积角无显著性差异,且相对误差为2.877%,验证了仿真模拟试验的准确性。通过对比其他物料参数标定时所用...     

荞麦米筛分物料接触参数测量与离散元仿真标定

荞麦剥壳后输出的主要混合物为荞麦米和荞麦,二者因尺寸差异较小造成分离困难。为了理清混合物分离中难筛物料的分离机理,拟借助EDEM软件对荞麦米筛分过程进行仿真,因仿真中所需筛分物料的接触参数无处查,需逐一确定,本文采用试验测定与EDEM仿真标定相结合的方法研究离散元仿真荞麦米筛分时所需的物料接触参数。试验测定了混合物各物料间、各物料与筛板间的碰撞恢复系数;混合物各物料间、各物料与筛板间的最大静摩擦因数,借助EDEM软件进行正交试验仿真标定以上各个参数。结果表明:离散元仿真标定的平均误差值小于7.90%,试验所测数据准确性较高,可为离散元仿真荞麦米筛分时物料接触参数设置提供参考。     

水稻芽种离散元主要接触参数仿真标定与试验

水稻播种时芽种含水率高、种芽长度差异大,表现出与其他作物种子不同的物理特性。为减小仿真分析时芽种参数设置不准确而形成的模拟系统误差,本文基于水稻芽种摩擦角的试验与仿真测定,标定出不同含水率下的水稻芽种离散元主要接触参数。通过芽种的摩擦角(两种休止角及滑动摩擦角)离散元仿真试验,建立了芽种-不锈钢板静摩擦因数、芽种-芽种静摩擦因数、芽种-芽种滚动摩擦因数与3个摩擦角之间的三元回归方程。以芽种的3个摩擦角试验结果作为修正指标,对回归方程数值求解,得到当仿真结果与试验结果的拟合误差达到允许范围内的3个主要接触参数。将标定后的参数进行试验验证,分别对不同含水率下的芽种摩擦角的仿真测定与实测结果进行对比分析,相对误差均小于2.75%,表明水稻芽种离散元模型与实际颗粒物料体现出相同的摩擦特性,建立的回归模型满足不同含水率芽种参数的标定要求。对其他5个品种的水稻芽种摩擦角实测值与仿真结果进行对比分析,相对误差均在5.54%以内。该水稻芽种的离散元模型及接触参数可为水稻精密播种装置的动态仿真提供参考。     

基于JKR粘结模型的蚯蚓粪基质离散元法参数标定

为确定不同含水率下蚯蚓粪基质的多种参数,提出了通过测定基质含水率,预测休止角,通过休止角合理推测其他参数的思路,并提出了一种散体休止角测定方法。以休止角作为参照,基于JKR粘结模型,使用离散元参数标定的方法,从与蚯蚓粪基质颗粒有关的10个参数中,筛选出颗粒间静摩擦因数、颗粒间滚动摩擦因数和JKR表面能3个对休止角影响显著的参数,建立了休止角与这3个显著参数之间的二次多项式回归模型。试验结果表明,该模型可以根据休止角预测蚯蚓粪基质参数,根据预测得到的参数建立离散元模型,休止角仿真结果与实际试验结果较为接近,差异分别为1.53%和0.22%。同时测定了不同含水率下蚯蚓粪基质的休止角,建立了休止角与含水率之间的关系模型。研究结果可为其他类似散体物料休止角的测定提供参考,并提供了一种通过测定易于测定的参数(如含水率)来推导其他难测参数的思路。     

温室劣苗基质离散元仿真参数标定

穴盘育苗中劣质钵苗会影响后期种苗移栽成活率,现有机械式剔除存在颗粒散落遗漏现象,而气吸式剔除方式则可以很好地弥补这一缺陷。为解析钵苗基质气吸式剔除的机理,本文开展离散元仿真的参数标定试验。选取100 g基质进行粒径分布检测,采用漏斗静置,基于图像处理获取基质两侧实际堆积角,通过Plackett-Burman实验确定影响基质堆积角的4个因素;通过最陡爬坡实验确定显著因素最大响应区域;依据Box-Behnken实验建立二阶回归模型并求解最佳参数组合。结果表明,在不显著因素取中间值时,当基质颗粒-颗粒碰撞恢复系数为0.142、基质颗粒-颗粒滚动摩擦因数为0.097、基质颗粒-不锈钢静摩擦因数为0.223和基质JKR表面能为2.325 J/m²时,所得仿真堆积角φ为33.4°,与实际堆积角θ为34.19°的相对误差为2.31%,满足试验需求,所得标定参数可用于钵苗基质的离散元仿真。     

胡麻茎秆离散元柔性模型建立与接触参数试验验证

针对胡麻联合收获过程中茎秆位姿变化与运动特性等关键环节离散元研究缺乏柔性模型和接触参数的问题,本文以胡麻根部茎秆、中部茎秆、颈部茎秆为研究对象,以其本征参数为研究基础,计算得胡麻茎秆各部建模参数,采用离散元法bonding模型构建胡麻茎秆柔性模型,并以胡麻茎秆各部本征参数、接触参数试验值为水平值,通过Plackett-Burman试验和Central-Composite试验确定胡麻茎秆之间、茎秆与收获装备之间的接触参数,通过胡麻茎秆剪切试验与堆积角试验验证模型可靠性。结果表明：胡麻植株离散元柔性模型参数中法向刚度Kn为1.13×109N/m3,切向刚度Ks为5.6×108N/m3,法向临界应力σ为6.67MPa,切向临界应力γ为8.5MPa,粘结半径Rj为0.25mm;胡麻茎秆-收获装备间恢复系数、静摩擦因数、滚动摩擦因数最优值分别为0.33、0.28、0.14,胡麻茎秆-胡麻茎秆间恢复系数、静摩擦因数、滚动摩擦因数最优值分别为0.3、0.508、0.033;剪切试验中胡麻茎秆根部、中部、颈部剪切最大载荷与仿真结果相对误差分别为1.67%、3.09%、5.44%,堆积角试验中胡麻茎秆平均堆积角与仿真结果相对误差为0.31%,误差较小。胡麻茎秆柔性模型与接触参数和实际情况较为相符,可表征胡麻茎秆物理特性,为胡麻茎秆离散元仿真提供参考。     

离散元模拟中沙土参数标定方法研究

农业机械与土壤相互作用仿真时,选用颗粒相互作用参数的准确度将直接影响仿真结果。本文提出一种通过试验与模拟相结合系统地标定沙土颗粒相互作用参数的方法。通过堆积角测试装置、三轴剪切试验仪、图像颗粒分析系统等设备测量计算沙土的堆积角、剪切模量、粒径分布和外观形貌等参数,为颗粒或工厂建模提供参考。使用标准球和非标准球对沙土颗粒的碰撞恢复因数、静摩擦因数、滚动摩擦因数进行标定。研究不同质量和不同标定方法(抽板法和漏斗法)是否对堆积角产生影响。模拟结果表明,选用标准球标定时,碰撞恢复因数是0.15,静摩擦因数是0.8,滚动摩擦因数是0.2,抽板法得到的堆积角是33.99°,相对误差是4.74%;漏斗法得到的堆积角是33.59°,相对误差是3.51%。同时,选用非标准球进行标定时,碰撞恢复因数是0.15,静摩擦因数是0.2,滚动摩擦因数是0.3,抽板法得到的堆积角是32.06°,相对误差是1.20%。由此看出,颗粒外观形貌对颗粒间静摩擦因数影响相对较大。     

新疆果园深施散体厩肥离散元参数标定研究

为确定新疆果园散体厩肥离散元仿真参数,采用仿真试验与物理试验相结合的方法,对散体厩肥的离散元参数进行标定。以不同参数组合下的堆积角为响应值,采用Plackett-Burman试验对散体厩肥离散元仿真参数进行筛选,得到对堆积角影响显著的参数,即厩肥-厩肥恢复系数、厩肥-钢恢复系数、JKR表面能;通过Box-Behnken试验建立堆积角与显著性参数的二阶回归模型,并对其进行优化,得到显著性参数最优值,即厩肥-厩肥恢复系数为0.49、厩肥-钢恢复系数为0.34、JKR表面能为0.02 J/m2;将最优参数组合下仿真试验得到的堆积角与物理试验值进行对比,二者相对误差为2.73%。研究表明,标定的参数可靠,可为果园散体厩肥深施机械化过程仿真参数优化提供依据。