黑土区玉米秸秆-土壤混料离散元模型参数标定

由于黑土区保护性耕作中关键农机部件设计优化过程中缺乏准确的离散元仿真模型参数,在一定程度上制约了机具的优化改进。以黑土区玉米秸秆-土壤混料为研究对象,构建玉米秸秆-土壤混料离散元仿真模型,采用物理试验与EDEM仿真试验相结合的方法,选用Hertz-Mindlin with JKR接触模型进行离散元仿真接触参数标定。首先,采用圆筒提升的方法确定玉米秸秆-土壤混料的实际堆积角,利用Design-Expert软件中Plackett-Burman试验筛选出对堆积角有显著影响的参数为：土壤-土壤滚动摩擦因数、土壤-钢静摩擦因数、秸秆-土壤滚动摩擦因数、土壤JKR表面能;进一步通过最陡爬坡试验确定4个参数的最优取值范围,根据Box-Behnken试验原理以堆积角为响应值,建立堆积角与显著参数的二次回归模型;以实际堆积角为目标,利用软件寻优功能对显著参数进行优化并得到最优参数组合：秸秆-土壤滚动摩擦因数0.16、土壤-土壤滚动摩擦因数0.24、土壤-钢静摩擦因数0.75、土壤JKR表面能0.67J/m2。通过仿真试验对最优参数组合进行对比验证,仿真堆积角与物理试验堆积角相对误差为1.64%。研究结果表明标定的参数真实可靠,可为黑土区玉米秸秆-土壤混料的离散元仿真提供理论参考。     

新疆棉花秸秆离散元仿真参数标定研究

由于棉花秸秆在机械化收获和粉碎加工过程中缺乏准确的仿真模型参数,从而造成在机具设计中仿真效果和实际作业存在较大的差异,在一定程度上限制了棉花秸秆收获以及粉碎装置的设计研究。本文以新疆棉花秸秆作为试验材料,开展仿真分析研究,通过物理试验测定棉花秸秆的本征参数后,利用EDEM软件进行试验仿真,对棉花秸秆进行参数标定。采用堆积角试验和弯曲试验方法,测量出棉花秸秆堆积角和最大破坏载荷分别为28.62°和143.21N。应用Hertz-Mindlin no slip模型和Hertz-Mindlin with bonding模型进行棉花秸秆的堆积角仿真试验和弯曲仿真试验,得到棉花秸秆之间碰撞恢复系数、静摩擦因数、滚动摩擦因数和棉花秸秆-钢之间碰撞恢复系数、静摩擦因数、滚动摩擦因数分别为0.5、0.41、0.06、0.5、0.37、0.08,以及棉花秸秆法向接触刚度、切向接触刚度、临界法向应力与临界切向应力分别为4.15×1010N/m、5.60×1010N/m、40MPa、50MPa。将以上结果进行粉碎试验验证,棉花秸秆粉碎后依据长度和宽度不同,分为粉末型物料、破碎型物料、未破碎型物料,仿真试验质量和实际试验质量之间偏差为6.84%、8.29%、7.37%,证明了参数的可行性,可用于棉花秸秆参数标定。     

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。     

茎瘤芥种子离散元模型参数标定

为解决茎瘤芥种子离散元模拟中缺乏准确仿真参数的问题,通过直接测量和虚拟标定方法确定“涪杂2号”茎瘤芥种子离散元参数。利用数显游标卡尺、电子秤等物理机械特性测定工具,得到茎瘤芥种子的三轴尺寸、等效半径、千粒重和密度;通过斜面碰撞法、三点滑动法和斜面法分别得到茎瘤芥种子与有机玻璃之间的恢复系数、静摩擦系数和滚动摩擦系数分别为0.561、0.420、0.155;采用旋转鼓试验和圆筒提升试验结合MATLAB图像处理技术获得茎瘤芥种子的动态堆积角和静态堆积角分别为35.235 2°和14.483 0°。基于Plackett Burman试验筛选出对动态堆积角和静态堆积角影响显著的参数因子均为种子与种子间的滚动摩擦系数、种子与种子间的静摩擦系数;通过中心复合设计分别获得显著性因子与动态堆积角、静态堆积角的二次回归方程,并以动态堆积角和静态堆积角的实测值为目标,基于回归模型对因子参数组合进行优化,得到两组种子与种子间的静摩擦系数、种子与种子间的滚动摩擦系数最优参数组合为0.666 1、0.023 7以及0.341 6、0.036 0。对两组最优参数组合进行仿真验证,结果显示两组参数组合下动态堆积角、静态堆积角的仿真值与实测值相对误差分别为0.477%、3.590%和1.820%、4.950%。结果表明,仿真中种子与种子间的静摩擦系数、种子与种子间的滚动摩擦系数分别为0.666 1、0.023 7时,更符合茎瘤芥种子实际的物理特性。本研究能为茎瘤芥播种过程及相关装置设计优化提供参考。     

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...     

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DEM的玉米秸秆离散元模型参数标定

玉米秸秆外表皮和内瓤的力学特性存在较大差异,为提高玉米秸秆仿真结果的精确度,提出一种基于离散元法(DEM)的玉米秸秆精细化仿真模型建立方法,构建有茎节和无茎节秸秆仿真模型。通过Plackett Burman试验和最陡爬坡试验开展无茎节秸秆模型的单轴压缩仿真试验,确定影响颗粒抗破坏力的因素主要是玉米秸秆外表皮—内瓤滑动摩擦系数、内瓤—内瓤碰撞恢复系数和内瓤—内瓤静摩擦系数,通过正交试验确定最优参数组合为0.28、0.29和0.23。利用有茎节秸秆模型进行剪切试验验证,结果表明仿真试验与物理试验的抗剪切力分别为132.29 N和131.36 N,误差为093 N,说明最优参数组合精确度较高。研究结果可为秸秆还田装置、生物质材料成型和饲料加工装置等关键部件优化设计提供参考依据。     

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。     

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。     

基于EDEMpy的枸杞离散元仿真参数标定与试验

为探究枸杞离散元仿真边界参数的最优组合,提高离散单元仿真方法研究枸杞与采收机械作用机理的准确性,提升后续枸杞机械采收设备的研发效率及机械作业性能,选取EDEM中“Hertz-Mindlin with Johnson-Kendall-Roberts”凝聚力接触模型,通过物理试验测量枸杞堆积角、枸杞-钢板静摩擦因数、枸杞-钢板碰撞恢复系数。在物理试验的基础上,采用基于EDEMpy的仿真试验方法对枸杞的接触参数进行试验研究,以枸杞颗粒的静摩擦因数、滚动摩擦因数、碰撞恢复系数、表面能JKR为影响因素,以堆积角为目标进行多因素试验,并建立回归模型。试验结果表明：对枸杞仿真堆积角影响显著的参数为枸杞-枸杞静摩擦因数、枸杞-枸杞滚动摩擦因数、表面能JKR。以实际堆积角为目标值,对回归模型进行优化分析,得到显著性参数最优组合值分别为：枸杞-枸杞静摩擦因数0.506,枸杞-枸杞滚动摩擦因数0.064,表面能JKR0.048,该组合下的仿真堆积角平均值为28.82°,与实际堆积角的偏差小于4%,边界参数标定结果可靠。研究结果可为枸杞离散元模型边界参数的选取提供参考。     

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。     

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。     

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。     

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...     

玉米穗茎兼收割台切碎装置参数优化

针对玉米穗茎兼收割台的需求,设计了一种横置滚筒式茎秆切碎装置,并对其切碎性能及割台摘穗性能进行了试验研究。通过对切碎装置工作原理的分析,确定在拉茎速度与切碎滚筒转速比值一定的条件下,以机器作业速度、动刀切割前角、切碎滚筒转速为自变量,以玉米果穗损失率、籽粒破碎率、籽粒损失率、茎秆平均切段长度和几何标准差为试验指标,利用Box-Benhnken Design中心组合试验设计原理,进行了3因素3水平正交旋转组合田间试验,利用Design-Expert软件对试验结果进行了响应面分析和回归分析,得到试验指标与试验因素间的数学模型。试验结果表明：机器作业速度和切碎滚筒转速与5个试验指标有二次非线性关系,动刀切割前角仅与茎秆平均切段长度、几何标准差有二次非线性关系,因素的交互项中仅机器作业速度与切碎滚筒转速的交互项对籽粒破碎率、茎秆平均切段长度有显著影响。对切碎滚筒转速进行圆整,得到最优参数组合为：机器作业速度为1.35m/s,动刀切割前角为52°,切碎滚筒转速为1350r/min,此时果穗损失率为1.1%,籽粒破碎率为0.23%、籽粒损失率为0.74%、茎秆平均切段长度为30.73mm、几何标准差为1.28。与田间试验结果对比可知,回归模型有很好的可靠性。将最优组合试验结果与优化前的参数组合（机器作业速度为1.11m/s,动刀切割前角为53°,切碎滚筒转速为1657r/min）得到的结果进行比较可知：优化后较优化前果穗损失率降低0.4%,籽粒破碎率降低0.784%,籽粒损失率降低1.318%,茎秆平均切段长度缩短12.20mm,几何标准差减少0.34。优化后试验指标低于标准规定的指标值,满足设计要求。     

基于单轴密闭压缩试验的草炭离散元参数标定

为了提升穴盘播种过程中草炭装盘、压穴、覆料的仿真准确性,基于草炭的物料特性,选择Edinburgh Elasto-Plastic Adhesion（EEPA）模型在EDEM软件中建立草炭离散元仿真模型,通过单轴密闭压缩和虚拟仿真试验对草炭参数进行标定。通过物理试验测得草炭密度、粒径分布和接触参数,应用Plackett-Burman Design和最陡爬坡试验设计显著性分析试验,发现草炭间恢复系数、静摩擦因数、草炭切向刚度因子和剪切模量影响显著。应用Central Composite Design试验建立响应值与4个显著性参数的二次多项式回归模型,以单轴密闭压缩20%、50%轴向应变对应的轴向压力3.83、91.45N为目标值对显著性参数进行寻优,得到最优组合为：草炭间恢复系数0.202、草炭间静摩擦因数0.595、切向刚度因子0.667、草炭剪切模量0.613MPa。最后将该参数组合下的仿真值与实测值进行对比验证,在轴向应变范围20%~50%内实测值与仿真值的平均误差约为8.08%。相对误差在轴向应变40%左右达到最大值,为15.34%。结果表明基于响应面法标定的EEPA模型参数可用于离散元仿真研究。