用颗粒离散元法模拟料仓卸料过程

采用颗粒离散元法模拟了无粘软颗粒和粘连性硬颗粒在平底仓卸料全过程,并与已完成的无粘硬颗粒结果比较。发现颗粒的材料模量对卸料特性影响甚小,而颗粒表面粘连性对卸料流率有显著的迟滞作用。在大出口情况,结拱不易形成,并出现颗粒自由下落现象。     

锥形改流体下部孔径对筒仓卸料流态的影响

为了获取锥形改流体（cone-in-cone）下部孔径对筒仓内卸料流态和仓壁压力的影响,实现中心流筒仓内物料流态从中心流到整体流的转变,改善筒仓内物料流动环境,建立模型,用试验验证模型是正确的,该文采用离散元法对三维筒仓中ABS球卸料过程进行了数值模拟。数值模拟结果表明：筒仓卸料口尺寸不变时,减小锥形改流体下部孔径,整体流系数增大,筒仓内物料流态能够从中心流转变为整体流,筒仓壁峰值压力减小且峰值压力位置上移。改流体倾角为120°、135°时,当锥形改流体距筒仓锥形壁面的距离与锥形改流体下部孔径的比值大于等于1时,能实现从中心流到整体流的转变。该研究基于数值模拟结果提出了锥形改流体的设计标准,可为工程上确定改流体结构、位置参数提供参考。     

贮料重度对卸料流态及仓壁压力分布的影响

为了研究贮料重度对仓壁卸料压力和流态的影响,进行了室内试验和数值模拟分析。室内试验采用自主设计的半圆柱形平底圆筒仓,仓壁嵌入定制的压力传感器量测仓壁压力,通过摄像机记录流态演化过程。贮料选用重度不同平均粒径为5.5 mm的陶球颗粒（以下简称陶粒）和大豆,各进行了5组卸料试验。之后,进行了离散元数值模拟（discrete element method, DEM）。最后,综合试验结果和数值模拟结果,结合颗粒物质力学基本原理,分析了贮料重度对流态演化及仓壁压力分布的影响。研究表明：陶粒和大豆的流态演变过程相似;静止区边界在卸料前期和中期处于稳定状态,角度为54.03°,高度为0.310 m,卸料后期,表面流动边界面开始与静止区边界面以28.5°相交,并最终滞留在仓底附近形成角度为28.5°,高度为0.120 m的“滞留区”;贮料重度越大,仓壁压力变化越剧烈;峰值压力作用点在距离仓壁底部约3/10高度处;在卸料最初（卸料时间5 s,占总卸料时长的1.43%）,陶粒和大豆的仓壁压力均发生剧烈突增：陶粒峰值增幅为263%,大豆峰值增幅为257%,该试验现象为实践中筒仓破坏多出现在卸料初期提供了试验支持。基于细观层面的力链网络演化,证实了重度大的陶粒通过力链网络传递到仓壁的压力更大,仓壁压力波动性与力链的断裂、重构和结拱起始、结拱完成和拱塌落有直接的对应关系。研究建立了从细观力链网络传递、力链断裂、重构与宏观仓壁压力分布的直接联系,研究结果可为筒仓结构设计提供理论支撑与试验依据。     

颗粒尺寸对螺旋加料机定量加料性能的影响

为提高螺旋加料机定量加料性能,开展颗粒尺寸对加料量稳定性和准确性的影响研究。以粒径3~5 mm的球形谷物颗粒单圈加料约40 g螺旋加料机为研究对象,基于软球模型,通过对螺旋加料过程颗粒物料力链及颗粒群运动分析,建立具有分料装置的螺旋加料机离散元仿真模型;应用PFC3D(particle flow code in 3dimensions)软件对粒径3、4及5 mm颗粒物料进行螺旋加料过程仿真分析,并以粒径3、4及5mm的球形散珠为试验对象,进行颗粒运动和定量加料试验。综合分析得到:随着球形颗粒粒径的逐步减小,最大接触力逐渐减小,力链分布愈均匀浓密,颗粒间运动的一致性得到提高,物料混合运动趋势逐步减弱,定量加料的稳定性和准确性逐步提高。粒径3 mm球形散珠螺旋加料转动60°,平均加料量为6.477 g,加料量标准差为0.537,加料量最大相对误差为±0.153%。     

圆球颗粒间有幂律流体时挤压流动的法向粘性力

为了建立湿颗粒系统的离散元模型,研究了两刚性圆球颗粒间的幂律流体在挤压流动时产生的法向粘性力,并导出了任意球颗粒间的压力分布和法向粘性力的积分表达式,并可证明此粘性力表达式可以退回到牛顿流体情形。与Rodin的渐近解的数值比较表明,该结果在全范围内是光滑连续的合理解,而Rodin的渐近解只是在幂指数大于1/3后才与粘性力积分表达式的解逐渐重合     

换热设备螺旋和直细通道内扇形凹穴对流体流动和传热的影响

为探究结构表面(如凹穴)对换热设备螺旋和直细通道内流体流动和传热影响的差异,在这2种通道的两侧面加入扇形凹穴,并采用数值方法研究其在不同雷诺数下流动、传热、熵产以及综合性能的影响。结果表明:凹穴对螺旋细通道内流体的流动影响明显,摩阻系数最大提高23%,而对传热和综合性能几乎没有影响;低雷诺数时凹穴对直细通道内流体的流动、传热和综合性能的影响不明显,而高雷诺数时影响显著,摩阻系数和努塞尔数最大分别提高50%和45%,最大传热强化因子达1.27;凹穴可减少螺旋和直细通道内流体流动和传热过程的熵产,但在高雷诺数时才比较明显地减少,且对直细通道的影响大于螺旋细通道,熵产增大数的最小值分别为0.34和0.73。研究结果可为微细通道换热设备的性能改善提供参考。     

插草刀盘将柔性草杆植入沙土阻力的影响因素

[目的]初步探讨采用离散元法研究插草问题的可行性,并定性分析插草阻力与刀盘运动速度间的关系,为立体固沙车在进行草方格的机械化铺设工作时合理工作参数的选取提供可靠的理论依据。[方法]利用离散元法建立了沙土颗粒—草带—刀盘构成的复杂系统的数值模型,并模拟插草刀盘在沙土地表插草的动态过程,分析刀盘插入速度、前进速度和草带密度等因素对插草阻力的影响。[结果]插草刀盘所受到的插草阻力会随着间距的减小而增大,随着前进速度和铅垂埋植速度的增大而增大。[结论]离散元法可以用于分析沙土地表插草的数值模拟研究。     

棉籽颗粒在三自由度混联振动筛面上的运动规律

为深入研究和揭示多维振动筛筛面物料运动规律和透筛机理以及设计三自由度混联振动筛,基于机构拓扑结构理论构造了一种全解耦的三自由度混联机构2PRRR－P(2R),作为三自由度振动筛的主体激振机构;运用D-H变换矩阵推导出筛面的运动轨迹方程,并运用ADAMS软件对振动筛进行运动学仿真,验证了机构设计的可行性;基于离散元法对棉籽颗粒群在三自由度振动筛筛面上的筛分过程进行了模拟分析,表明筛面的三维运动能增加颗粒群在X和Y向的抛掷位移,使颗粒群平均透筛时间缩短;试验结果表明,筛面增加X向的振动后,分散度增加约54%,筛分效率增加约46%;筛面增加X向和Y向的振动后,分散度和筛分效率分别增加约152%和68%,比仅增加X向振动时分别增加约62%和15%,试验结果与EDEM仿真结果一致。研究表明,三自由度混联振动筛能实现筛面沿X、Y、Z向的三维独立振动,其自由度、振幅、频率等振动参数调节方便;筛面的三自由度振动利于颗粒物料在筛面上分散,可大幅提高筛分效率。该研究对进一步研究多维振动筛分机理、研制三自由度混联振动筛产品样机等提供了参考。     

基于EDEM的离心甩盘撒肥器性能分析与试验

为提高颗粒肥料撒施均匀性,该文对离心甩盘式撒肥器进行甩盘转速、喂入量、喂入角和喂入位置角对抛撒均匀性单因素离散元仿真分析,完成多元回归正交旋转仿真试验和目标参数优化并进行台架试验,分析结果表明,喂入位置角与转速及喂入位置角与喂入角间交互作用对撒肥均匀性影响均高度显著;各因素影响主次顺序为甩盘转速、喂入角、喂入量、喂入位置角;当甩盘转速900 r/min、喂入量4 275颗/s、喂入角110°、喂入位置角64°时均匀性变异系数为12.48%,仿真验证和实际试验验证结果与优化结果相吻合。机器前进速度为5.4 km/h时实际工况动态仿真得到工作幅宽内均匀性变异系数为11.43%,满足田间撒肥作业要求。研究结果可为颗粒肥撒施机设计提供参考。     

基于离散元法的贯入圆锥对沙土颗粒运动特性分析

为了预测土壤颗粒在圆锥指数仪贯入沙土过程中的运动特性,该文通过建立一个三维长方体料床模型用离散元法模拟了圆锥贯入沙土的全过程,讨论了料床指定初始位置上颗粒的运动轨迹,还将料床的位移场按照位移量大小分成4个区,分析了料床的横向、纵向以及合成的位移场,最后给出了不同贯入深度的料床速度场及力链分布规律。研究结果显示:受到圆锥向下贯入和左右壁面阻挡的共同作用,大多数颗粒在圆锥贯入过程中以纵向移动为主,横向上体现为近似线性梯度的受限扩散式移动,尤以锥尖附近的横向位移最明显;颗粒在纵向上均经历了先向下运动再向上运动的过程,在圆锥贯入过程中料床的纵向位移场,作为向上和向下位移区的分界线,一条"衣领"带状区域的颗粒近似静止;越靠近锥尖附近的颗粒接触力和速度越大,且随着贯入深度的增加,锥尖处的接触力增大。该文的研究为土壤圆锥指数实地测量时测量点间距的取值提供理论依据。     

改进颗粒组构力学模型模拟筒仓卸粮成拱细观机理

现有研究表明筒仓卸粮成拱和粮食的内外摩擦密切相关,但现行相关离散元模拟采用单一圆形颗粒,模拟粮食的真实接触面积要小很多,不能客观反映卸粮过程粮食的摩擦情况,也较难还原卸粮成拱现象的细观动态过程。该文针对离散元模拟中圆形颗粒的内摩擦力小于真实粮食内摩擦力的缺陷,在已有PFC离散元程序基础上,添加了黏度系数较大的微型颗粒模拟粉尘,建立了一种改进颗粒组构力学模型,采用几何方法判断圆形颗粒间的接触情况,推导出基本单元间力-位移关系。基于典型事故案例和室内试验成果,采用建立的颗粒组构力学模型模拟了卸粮成拱动态过程中圆形大颗粒间以及圆形小颗粒与仓壁之间的力-位移关系。研究表明在卸粮过程中,切应力在剪切位移达到0.3 mm的过程中,迅速提高,达到最大值切应力的60%,所得的切应力位移图与其应力特征曲线与试验成果基本吻合。以试验结果曲线各点值为标准值,改进后模拟结果曲线值的标准差相比改进前减小37%,说明曲线相似度更高,利用该模型可更加客观反映筒仓卸粮成拱的动态细观机理。该文提出的改进颗粒组构力学模型,不仅可用于模拟卸粮成拱机理模拟,而且对于模拟散颗粒流动特性、散体-仓壁相互作用机理都具有一定借鉴意义。     

杂交稻气力滚筒集排式排种器楔形搅种装置设计与试验

为提高杂交稻气力滚筒集排式精量排种器的排种精度,该文设计了一种楔形搅种装置,以解决滚筒型排种器由于充种时间短和吸种区稻种架空造成吸种精度低的问题。以厚度1、2和1～2mm(带有坡度,其最薄处厚度为1 mm、最大厚度处为2 mm)3种楔形搅种装置为研究对象,简化排种器模型,进行了搅种过程离散元仿真模拟,以吸孔附近稻种层的平均法向接触力和平均三轴合速度为评价指标,分析了不同搅种装置对种群内摩擦力变化的影响,得出1～2 mm带有坡度的搅种装置对稻种种群的搅动效果较好;以杂交稻种晶两优1212为研究对象,采用三因素五水平二次回归正交旋转组合试验,研究在1～2 mm带有坡度的楔形搅种装置下吸种负压、滚筒转速、清种距离(清种指到吸孔边缘距离)对滚筒型排种器排种性能的影响。结果表明:以漏吸率(X_1)、合格率(X_2)、重吸率(X_3)为评价指标,预测最优组合为吸种负压为1.60 kPa、滚筒转速为10 r/min、清种距离为1.94 mm,其合格率为84.67%,重吸率为7.92%,漏吸率为7.41%,试验验证上述最优组合:合格率为86.00%,重吸率为8.47%,漏吸率为5.53%。该研究结果表明,安装1～2 mm带有坡度楔形搅种装置对稻种的分离、搅动和助吸有明显作用,可提高排种器吸种性能,为进一步优化杂交稻气力滚筒集排式精量直播机排种性能提供依据。     

内充气吹式玉米排种器工作性能EDEM-CFD模拟与试验

针对内充气吹式排种器组合气嘴低位安装对供气系统气流稳定性要求高、田间作业适应性差的问题,为优化内充气吹式排种器结构、改善工作性能,运用EDEM-CFD耦合分析方法,采用玉米籽粒粘结颗粒模型,以气嘴安装位置、工作压强和前进速度为试验因素进行正交试验优化仿真,提取关键参数充种极限速度和充种时长为评价指标进行分析,结果表明气嘴安装位置、工作压强和前进速度对充种极限速度影响显著而对充种时长影响不显著,充种极限速度和充种时长在0.05水平上呈显著负相关关系,较大充种极限速度和较短充种时长有利于提高排种器充种性能;对不同作业状态下的合格率、重播率、漏播率等作业指标进行分析表明气嘴安装位置在中位时合格率和充种极限速度呈显著正相关,低位和高位时因清种效果不佳导致合格率和充种极限速度呈负相关,中位时排种效果较佳。为验证仿真结果,进行气嘴安装位置和工作压强的全因素试验,结果表明,气嘴安装位置为中位时作业效果最佳,合格率大于90%,明显优于低位、高位状态,与仿真结果一致;在确定组合气嘴中位安装结构参数下,进行工作压强、前进速度的全因素试验,结果表明,前进速度为5~10 km/h、工作压强为4.5~5.5 k Pa时,排种器合格率较高,均为90%以上,该区间各工作参数下对合格率影响不显著。     

筒仓动态卸料过程侧压力模拟与验证

为了研究立筒仓卸料过程中的侧压力及数值模拟技术,设计了有机玻璃筒仓模型进行试验研究,运用ABAQUS有限元软件中的自适应网格划分技术模拟了筒仓的动态卸料过程。结果表明,筒仓动态侧压力试验值大于静态侧压力,但各测点超压系数不同,在邻近漏斗附近超压系数最大为1.78,其次为仓壁中上部2个测点超压系数达到了1.73和1.61,其他位置超压系数在1.45以内;侧压力模拟值与计算值吻合度较好,静态侧压力两者相对误差绝对值在0.43%~9.92%之间,动态侧压力两者相对误差绝对值在1.14%~9.65%之间,验证了数值模拟技术的可行性;静态和动态侧压力的数值模拟曲线、公式计算曲线、试验曲线或试验拟合曲线都表明,随着测点距筒仓底部高度的增加,侧压力呈下降趋势,即侧压力下大上小,而且静态侧压力模拟曲线与试验曲线变化规律一致,相对误差绝对值在1.83%~9.97%之间;由于试验时压力传感器精度、标定试验误差和试验次数等随机因素的影响,动态侧压力试验曲线不很规则,数值模拟曲线相对平滑,但动态侧压力试验值的拟合曲线与数值模拟曲线变化趋势基本相同,相对误差绝对值在0.28%~9.93%之间。通过观察漏斗附近Mises应力分布图发现,物料卸出前,应力较大点发生在紧邻漏斗附近的仓壁处,卸料开始后,应力较大点即转向漏斗壁中部某范围,而且随着卸料时间的延长,此应力较大点的范围有所增大。     

预切种木薯播种器阶梯式振动散种机构设计与试验

针对预切种播种器对成堆木薯种茎进行精密播种时待充木薯种茎乱序、充种可靠性低等难题,在播种器供种环节设计一种阶梯式振动散种机构。建立了木薯种茎在阶梯式振动散种机构上运动过程的数学模型,对木薯种茎相对散种板的下滑运动和其在阶梯式调姿板上的抛掷运动进行理论分析,确定显著影响机构性能的因素分别是作业宽度、振动频率、台阶倾角以及限位挡角。基于离散元法（Discrete Element Method,EDEM）建立了木薯种茎-振动散种机构的仿真模型,单因素仿真试验明确了各因素对横向调姿成功率和散种输送成功率的影响规律。研制了阶梯式振动散种机构试验台,进行四因素五水平正交中心组合试验研究,并基于最优的因素参数组合对4个不同品种的木薯进行适应性测试,确定最佳参数组合。结果表明当阶梯式振动散种机构的供种箱作业宽度为643.41 mm、振动频率为55.58 Hz、限位挡角为145.06°、台阶倾角为80.13°时,横向调姿成功率为85.7%,散种输送成功率为88.2%;当在最优因素参数组合下进行试验,横向调姿成功率为85.6%,散种输送成功率为88.6%。研究为预切种式木薯精密播种器相关装备的研制提供指导参考。     

水稻籽粒流对承载板冲击过程离散元分析

为了提高谷物流量测量精度,基于软球模型的离散元法,采用Hertz-Mindlin(无滑移)接触力学模型模拟水稻籽粒流与承载板冲击过程,在升运器线速度分别为0.5、1.0、1.5m/s时分析水稻质量与平均法向冲击力变化规律。结果表明:水稻籽粒流对承载板冲击过程的离散元模型参数选用合理,具有工程应用价值;去除水稻籽粒在承载板上的滑落阶段,3种线速度下水稻质量与平均法向力的线性相关系数由0.8062,0.9082,0.9891分别增大到0.9144,0.9630,0.9944。在设计冲量式谷物质量流量测量装置时应考虑如何减少谷物在测量装置上的滑落阶段,从而提高测量精度。为谷物流量测量装置的开发提供技术支持。     

基于离散元的排种器排种室内玉米种群运动规律

高寒干旱地区免耕地表播种作业时,排种器振动与种群运动状态对气吸式排种器的吸种性能有较大影响。为研究气吸式免耕播种机在免耕地表作业时排种器振动参数及振动对排种器内玉米种群运动的影响规律,该文采用BK加速度传感器和Pulse LAN-XI振动测试系统,对2BM-5型气吸式免耕播种机在免耕地表作业时排种器振动特性进行了测试,并应用Matlab软件对振动信号进行了分析。在此基础上基于离散元法模拟了在田间作业振动条件下玉米种群运动规律,并基于室内台架试验进行了验证。播种机田间作业振动信号分析结果表明:播种机前进速度为2、3、4、5、6、7 km/h时,排种器振动的位移功率谱密度较大值的频率为5、6、7 Hz,排种器振动的幅值由2.4到7.9 mm线性增加。由离散元方法仿真得到了种子室内玉米种群最大速度、种群平均速度与播种机作业速度的拟合曲线。台架验证结果表明:气吸式排种器排种性能较好的作业速度为3~5 km/h,较好的振动幅值为6 mm;种群最大速度范围为0.120 3~0.224 3 m/s,种群平均速度范围为0.080 7~0.141 3 m/s,吸种区种群最大速度范围为0.127~0.26 m/s时,气吸式排种器吸种性能较好。该研究可为免耕播种机气吸式排种器吸种性能的提高提供参考。     

双充种室大蒜单粒取种装置设计与试验

针对当前大蒜机械化播种单粒合格率低、漏充率高的问题,该研究设计了一种双充种室大蒜单粒取种装置.通过分析与计算,确定了取种装置关键部件参数,阐述了双充种室结构可降低蒜种漏充的作业机理.采用EDEM软件进行了单因素仿真试验,分析了一级取种勺速度、种层厚度对充种性能及种群规律的影响,得到第二充种室内充入蒜种与被清掉蒜种的速度...     

内充式排种器工作过程和性能的离散元法仿真分析

为建立一种排种器设计的新方法,以内充式排种器和小麦种子为研究对象,由排种器的CAD（computer aided design,计算机辅助设计）模型建立了该排种器的二维离散元法分析模型,采用圆弧组合的方法建立了小麦种子的二维颗粒模型,采用自主研制的二维离散元法软件,分析了该排种器的工作过程及性能。同时将排种器台架试验结果与离散元法分析结果进行了比较,两者基本一致,初步证明采用离散元法分析内充式排种器工作过程和性能的可行性,为内充式排种器的研究和优化设计建立了一种新方法。