基于注入截面法的颗粒饲料离散元模型参数标定

采用离散元法进行颗粒饲料后喷涂、冷却、输送、仓储、饲喂等关键环节的工作过程仿真分析时,需要建立颗粒饲料离散元模型并通过测定休止角来标定离散元参数,用以测定休止角的传统装置与方法,存在样品用量多、测定繁琐的情况。本文提出了一种基于注入截面法的休止角测定装置与方法,通过颗粒堆积体截面的轮廓线直接获取休止角,从而进行休止角的模拟与测定。建立与颗粒饲料形态相近的离散元模型,借用GEMM(Generic EDEM material model database)数据库获得离散元模型参数范围。以滑动摩擦因数X1、碰撞恢复系数X2和滚动摩擦因数X3为试验因素,以颗粒饲料堆积休止角Y1为评价指标,按照3因素5水平正交旋转组合设计试验方法,利用DesignExpert 8.0.6软件回归分析法和响应面分析法,建立了3个因素以堆积休止角为评价指标的数学模型。以颗粒饲料休止角真实测得值为目标,对回归模型进行寻优,得到优化后的标定参数组合:颗粒饲料间滑动摩擦因数为0.41,碰撞恢复系数为0.53,滚动摩擦因数为0.08。以此优化解进行仿真试验,结果显示预测休止角为29.43°±0.70°,误差为3.1%,休止角仿真和试验在堆积角度和形态上相似度较高。结果表明了基于注入截面法的颗粒饲料离散元建模与休止角测定试验的有效性和可行性。     

颗粒肥料离散元仿真边界参数系统化研究

离散元边界参数对仿真精确性具有重要的影响。为提高离散元仿真精度,以大颗粒尿素颗粒为研究对象,利用Plackett-Burman休止角仿真试验进行了重要边界参数的筛选,确定影响显著的参数依次为尿素颗粒间滚动摩擦因数、颗粒间静摩擦因数和颗粒与ABS板间静摩擦因数,且3种边界参数影响尿素颗粒堆积特性,休止角随着3种边界参数的增大而增大。利用自制静摩擦因数测量仪和虚拟仿真标定方法分别对颗粒与ABS板间的静摩擦因数、颗粒间静摩擦因数和颗粒间滚动摩擦因数进行研究,并对确定值进行了堆积过程的仿真和试验验证,仿真休止角与实际试验休止角相对误差仅为0.36%,不同含水率下的实际试验休止角与标定参数下的仿真休止角相对误差均不大于3.25%,表明仿真确定的边界参数和仿真模型的有效性。     

基于堆积试验的包衣胡萝卜种子离散元参数标定

在农业、食品和制药等行业中,颗粒包衣是常见的工艺,胡萝卜机械化播种中也常采用包衣种子。因此,了解包衣种子的物性参数对播种机设计和优化,需要分析颗粒的运动特性。目前,研究者通常采用离散元法来模拟颗粒运动,但其准确度取决于模拟时使用的颗粒离散元参数,且颗粒离散元参数一般很难直接获得,需要对其进行标定。为标定包衣胡萝卜种子的离散元参数,参考玉米、小麦等种子的参数标定过程,以堆积休止角为响应值,采用不同参数组合进行仿真,并与试验结果对比来寻找最优参数,是一种基于堆积试验的离散元参数标定方法。首先,采用Plackett-Burman试验对包衣胡萝卜种子离散元参数进行显著性检验,筛选出对休止角有显著影响的参数;然后,根据最陡爬坡试验确定显著因素的最佳水平范围;最后,采用三因素五水平二次回归正交旋转组合试验寻找最佳参数组合并通过仿真与试验进行对比验证。试验表明:胡萝卜种子-胡萝卜种子静摩擦因数、胡萝卜种子-铝板静摩擦因数、胡萝卜种子-胡萝卜种子滚动摩擦因数对休止角有显著影响,离散元参数最佳组合为:胡萝卜种子-胡萝卜种子静摩擦因数为0.35,胡萝卜种子-铝板静摩擦因数为0.42,胡萝卜种子-胡萝卜种子...     

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...     

酒用高粱种子离散元仿真参数标定

为获得酒用高粱种子离散元仿真参数,以仁怀市大坝镇地区的茅梁糯2号高粱种子为研究对象,完成了物性参数的测量种子-尼龙、种子-ABS及种子颗粒间接触参数的标定。首先,采用物理试验测出高粱种子的三轴尺寸、密度、泊松比、弹性模量、剪切模量及休止角等参数,且获取高粱种子-尼龙与高粱种子-ABS的静摩擦因数、滚动摩擦因数和碰撞恢复系数;其次,采用Box-Behnken法设计三因素三水平试验,得到高粱种子颗粒间接触参数与休止角的二阶回归模型;最后,以实测休止角29.14°为优化目标值,求得高粱种子颗粒间的碰撞恢复系数、静摩擦因数、滚动摩擦因数分别为0.422、0.504、0.074,代入EDEM中得到仿真试验结果为28.39°,与实测值的相对误差为2.57%,进一步验证了仿真试验的可靠性和有效性。酒用高粱种子物性参数测定和接触参数标定可为高粱播种机仿真分析及优化设计提供一定参考和依据。     

玉米颗粒粘结模型离散元仿真参数标定方法研究

在CFD-DEM气固耦合仿真中,粘结颗粒模型被广泛用于排种器大颗粒种子模型建立,但该模型受建模方法的限制,与传统球面填充法相比,其表面粗糙度与真实种子的差距更为明显。在应用响应面法对颗粒接触参数进行标定时,会存在因因素零水平值选取不当造成仿真标定参数失真的问题,影响气固耦合仿真精度。针对此问题,本文建立因素标定时零水平值与实测值的线性函数,选取6组不同修正系数求解标定时零水平值,并应用响应面优化法对玉米颗粒粘结模型的种间静摩擦因数和滚动摩擦因数两个关键因素进行标定。将不同修正系数下标定的玉米种子接触参数输入EDEM中进行提升仿真试验,拟合不同修正系数取值时堆积角正切值的线性函数,通过拟合方程求得修正系数取值为0.1977时标定的玉米种间接触参数值最为准确,且标定参数的最佳组合为玉米-玉米静摩擦因数0.031、玉米-玉米滚动摩擦因数0.0039。将最佳参数组合输入EDEM中进行抽板仿真试验和排种过程仿真试验,试验结果分别与真实试验对比,发现标定参数后的仿真试验与真实试验种群分布相近,二者无显著性差异,表明标定后的玉米离散元接触参数是可信的。研究结果可为后续气力式排种器仿真过程标定参数范围选取提供参考。     

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...     

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。     

苜蓿现蕾期茎秆离散元模型建立与参数标定

针对目前牧草收获、粉碎加工设备输送和切割等机构研究过程中离散元仿真缺乏准确模型的问题,以含水率高、物理力学特性较为复杂的苜蓿现蕾期茎秆为研究对象,借助EDEM仿真软件,分别基于Hertz-Mindlin(no slip)和Hertz-Mindlin with bonding接触模型对物理参数和粘结参数进行标定。以休止角和剪切试验为基础,通过Plackett-Burman试验、Steepest ascent试验和Box-Behnken试验确定了苜蓿茎秆的泊松比、剪切模量、碰撞恢复系数、静摩擦因数、滚动摩擦因数等物理参数和法向接触刚度、切向接触刚度、临界法向应力、临界切向应力、粘结半径等粘结参数。以确定的物理参数进行休止角仿真试验,结果表明,仿真休止角与物理试验休止角相对误差为0.52%;以确定的粘结参数进行剪切仿真试验,结果表明,仿真剪切破坏力与物理试验仿真破坏力相对误差为0.86%,说明所标定的参数能够真实反映苜蓿现蕾期茎秆的物理和力学特性。     

果荚初期饲料油菜茎秆离散元接触模型参数标定

针对饲料油菜与不同材料的接触参数实测难度大、机械化收获离散元仿真模拟缺乏接触模型参数的问题,以果荚初期饲料油菜为对象,基于EDEM开展了饲料油菜茎秆颗粒离散元接触模型参数标定。测定了果荚初期饲用油菜茎秆本征参数,茎秆平均直径为20.4mm,密度为809kg/m3,茎秆弹性模量、剪切模量和泊松比平均值分别为115.73MPa、47.04MPa和0.23;以休止角为评价指标,应用Hertz-Mindlin基本模型和圆筒提升堆积法开展了饲料油菜茎秆颗粒堆积的虚拟二水平因子试验,结果表明饲料油菜茎秆与钢之间的碰撞恢复系数和滚动摩擦因数以及茎秆之间的碰撞恢复系数对休止角的影响较小,其值分别为0.60、0.10和0.60;通过最陡爬坡试验和响应面分析,确定了饲料油菜茎秆颗粒间静摩擦因数、滚动摩擦因数和饲料油菜茎秆-钢静摩擦因数的取值范围,建立了颗粒休止角的回归模型,以实测休止角与仿真试验休止角之间相对误差最小进行响应面分析和优化求解,确定其参数值分别为0.36、0.03和0.23。在接触参数最优组合条件下,根据回归模型计算得出的休止角理论值与实测值误差为2.15%,仿真试验得出休止角模拟值与实测值误差为1.83%,表明标定方法正确,标定参数准确。研究可为饲料油菜机械化收获过程的离散元仿真分析提供基本参数。     

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。     

饲料油菜薹期收获茎秆破碎离散元仿真参数标定

针对饲料油菜机械化收获中的切碎、抛送等关键环节离散元仿真缺乏准确模型的问题,以抽薹期饲料油菜茎秆为研究对象,利用EDEM仿真软件开展饲料油菜茎秆破碎离散元仿真模型参数标定研究。试验测定了饲料油菜本征参数,应用HertzMindlin基本模型进行饲料油菜茎秆颗粒堆积仿真试验,通过二水平因子试验、最陡爬坡试验和响应曲面试验,确定了饲料油菜茎秆颗粒碰撞恢复系数、静摩擦因数和滚动摩擦因数等基本接触参数。在此基础上,应用HertzMindlin with bonding接触模型进行饲料油菜茎秆弯曲破坏仿真试验,通过响应面分析确定了饲料油菜茎秆颗粒法向接触刚度、切向接触刚度、临界法向应力与临界切向应力等饲料油菜茎秆破碎离散元仿真模型的主要参数。以确定的参数进行堆积角仿真试验,结果表明,仿真结果与实测值相对误差为2.27%;不同直径油菜茎秆破碎仿真试验表明,仿真结果与实测值相对误差不大于4.21%,说明标定方法正确可行,标定参数准确可靠。     

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。     

用离散元模拟颗粒堆积问题

颗粒堆积是农业工程中的常见现象。堆积休止角反映了散体颗粒群综合作用的宏观特征,用离散元法研究颗粒堆积问题有助于认识堆积的细观力学机理和评估所采用模型的适用性。为此,用颗粒离散元法模拟了颗粒二维堆积问题,采用有级配的粒度分布的圆球颗粒群分析了颗粒摩擦系数、密度及粒度对堆积休止角的影响。模拟结果表明:在同等条件下,颗粒堆积的休止角随颗粒及底板摩擦系数的增大而增大,随颗粒密度的增大而减小。     

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。