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。     

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...     

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...     

基于离散元的竹粉颗粒接触参数标定

【目的】建立竹粉颗粒材料的离散元模型并标定其相关接触参数。【方法】基于毛竹Phyllostachys edulis粉末物理堆积角实验结果,采用离散元法(DEM)模拟仿真和实验设计(DOE)相结合的方法,通过Plackett-Burman (P-BD)实验、爬坡实验和响应面实验获得竹粉堆积角和仿真参数之间的二次多项式回归模型,以物理堆积角为目标值预测得到接触参数的最优组合。【结果】实测竹粉物理堆积角为49.29°;P-BD实验结果表明了竹粉-竹粉滚动摩擦系数、竹粉-竹粉恢复系数和竹粉-不锈钢板静摩擦系数对堆积角影响显著(P<0.05);响应面实验结果进一步证实了P-BD实验的结果,同时表明竹粉-竹粉滚动摩擦系数自身交互作用、竹粉-竹粉滚动摩擦系数和竹粉-竹粉恢复系数的交互作用对堆积角有显著影响(P<0.05);最优因素组合为竹粉-竹粉恢复系数0.44,竹粉-竹粉滚动摩擦系数0.22,竹粉-不锈钢板静摩擦系数0.45。【结论】本研究在41.20°～55.27°堆积角范围内建立的竹粉颗粒堆积角定量模拟标定与预测平台具有较高的可靠性,DEM标定方法可为后续建立评估生物质颗粒运动行为...     

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。     

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。     

胶园植保硫磺粉颗粒离散元模型参数标定

【目的】白粉病是影响橡胶树天然橡胶产量的重要病害,常使用硫磺粉进行防治。为确定胶园植保过程中喷施硫磺粉颗粒的离散元仿真参数,对硫磺粉粉体的离散元参数进行标定。【方法】通过BT-1000型粉体综合特性测试仪进行物理试验获取硫磺粉休止角,测量多次取平均值。以休止角为响应值,应用Plackett-Burman试验筛选出对休止角影响显著的3个参数,进一步基于最陡爬坡试验确定显著性参数的最优取值区间,并通过BoxBehnken试验建立并优化休止角与显著性参数的二阶回归模型,以物理试验休止角为目标值,对显著性参数寻优得到最佳组合。【结果】经过物理试验测得的硫磺粉休止角大小为48.56°。通过Plackett-Burman试验筛选出的3个影响显著参数为：硫磺粉-硫磺粉滚动摩擦系数、硫磺粉-不锈钢滚动摩擦系数和JKR表面能,其余影响不显著的参数取值：硫磺粉-硫磺粉恢复系数为0.2、硫磺粉-硫磺粉静摩擦系数为0.6、硫磺粉-不锈钢恢复系数为0.2、硫磺粉-不锈钢静摩擦系数为0.5。最陡爬坡试验确定的最优取值区间：硫磺粉-硫磺粉滚动摩擦系数为0.1～0.2、硫磺粉-不锈钢滚动摩擦系数为0.15～0.35、...     

生菜种子物理接触参数测定与离散元仿真标定

当前工厂化生菜生产播种环节自动化程度较低,设计适用生菜种子播种的自动播种机需要进行仿真模拟。为提高生菜种子在颗粒仿真软件EDEM中运动的准确性,对生菜种子的物理参数和接触参数进行试验测定。以测定的种堆休止角为验证标准,对显著影响参数标定优化。通过物理试验的方法测定生菜种子的基本物理特性和接触参数的范围区间,利用Plackett-Burman试验在多因子中快速筛选出对响应变量(种堆休止角)有显著性影响的参数。设计最陡爬坡试验缩小3个显著性参数取值范围,确定低、中、高三个水平。利用Box-Behnken试验得到二阶回归方程,以测定的种堆休止角为标准进行求解,获得生菜种子EDEM离散元仿真参数的最佳组合。最终通过独立样本T检验,验证了参数的准确性。结果表明,标定的最优参数可用于生菜种子在存种盘中振动过程离散元仿真,也可以为育苗精量播种机流固耦合的颗粒参数设定提供参考。     

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%。     

双低油菜籽粒离散元仿真参数标定与试验验证

为设计优化双低油菜机械化精量播种设备,以甘肃地区种植的双低油菜,‘青杂5号’和‘陇油19号’籽粒为对象,采用物理试验法测定2种双低油菜籽粒的基本物理学参数以及种子与PLA塑料和光敏树脂间的静摩擦因数和碰撞恢复系数。基于EDEM仿真软件和斜面滚动法,标定种子与PLA塑料和光敏树脂间的滚动摩擦因数,采用仿真逼近预测法标定种子间的滚动摩擦因数,并利用异形槽口窝眼轮排种器台架试验对仿真参数进行验证。结果表明:‘青杂5号’与PLA塑料和光敏树脂间的静摩擦因数分别为0.35和0.34,碰撞恢复系数分别为0.639和0.655,滚动摩擦因数分别为0.064和0.060。‘陇油19号’与PLA塑料和光敏树脂间的静摩擦因数分别为0.32和0.28,碰撞恢复系数分别为0.662和0.666,滚动摩擦因数分别为0.059和0.058。2个品种油菜籽粒间的静摩擦因数分别为0.57和0.59,碰撞恢复系数分别为0.384和0.397,滚动摩擦因数分别为0.054和0.046。将2种品种油菜籽粒的标定参数进行异形槽口窝眼轮排种器仿真试验和台架验证试验,对于‘青杂5号’油菜籽粒,其仿真试验与台架试验合格率的相对误差为0.48%,重播率的相对误差为4.99%,漏播率的相对误差为6.98%。对于‘陇油19号’油菜籽粒,其仿真试验与台架试验合格率的相对误差为0.29%,重播率的相对误差为3.79%,漏播率的相对误差为4.76%。     

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。     

半夏块茎物理特性研究及离散元仿真参数标定

为设计研究半夏撒播排种器,测定了半夏的本征物理特性参数,并对半夏离散元仿真参数进行标定。通过烘干试验、浸液试验、匀速压缩试验,确定了半夏种子的含水率为62.23%、密度为1 210 kg·m^-3、泊松比为0.373 1、弹性模量为5.751 MPa;通过实际碰撞试验结合仿真试验建立了回归模型,测定半夏-半夏的碰撞恢复系数为0.472 0、半夏-不锈钢板间碰撞恢复系数为0.635 8;通过实际的斜面滑动试验结合仿真试验,确定了半夏-不锈钢板间的静摩擦系数为0.615 4;利用圆筒提升试验结合最陡爬坡试验和Box-Behnken试验,确定了半夏-不锈钢板间的滚动摩擦系数为0.150、半夏-半夏的静摩擦系数为0.554、半夏-半夏的滚动摩擦系数为0.157。该研究结果可为半夏机械化生产装备设计研究和结构优化提供理论参考及设计依据。     

黑水虻生物转化餐厨垃圾有机肥离散元模型参数标定

在采用离散元法对黑水虻生物转化餐厨垃圾有机肥收集、转运等关键环节进行仿真分析时,存在餐厨垃圾有机肥的本征参数及餐厨垃圾有机肥与装备之间接触参数缺乏的问题。以含水率为37.5%的黑水虻生物转化餐厨垃圾有机肥为研究对象,利用EDEM 2020软件对其离散元仿真模型参数进行标定。通过Plackett-Burman试验、最陡爬坡试验及Box-Behnken试验获得各参数的最优组合为：泊松比0.2、剪切模量7 MPa、密度2 000 kg·m^-3、有机肥-有机肥碰撞恢复系数0.46、有机肥-有机肥静摩擦系数0.8、有机肥-有机肥滚动摩擦系数0.15、有机肥-钢碰撞恢复系数0.51、有机肥-钢静摩擦系数0.65、有机肥-钢滚动摩擦系数0.09、JKR表面能为0.1 J·m^-2,在该参数组合下的仿真试验结果与物理试验结果的相对误差为3.63%（P>0.05）,证明数据可靠。该研究结果表明,餐厨垃圾有机肥离散元模型和标定后得到的参数具有可靠性,可为黑水虻生物转化餐厨垃圾有机肥在机械收集、输送、分离等方面的离散元研究提供参考。     

油菜籽离散元仿真参数分析及标定

为了获得油菜籽优化的播种参数,采用EDEM软件对油菜籽播种时的颗粒堆积进行模拟仿真,采用MATLAB图像处理技术,对堆积角边缘轮廓进行线性拟合,获得准确的休止角作为响应值,根据休止角响应值对油菜籽离散元仿真参数进行标定。应用筛选试验设计方法对10个初始参数进行筛选,发现油菜籽-油菜籽之间滚动摩擦系数、油菜籽-播种箱板之间相互摩擦系数以及油菜籽-油菜籽之间静摩擦系数对颗粒团休止角影响显著。根据试验结果建立了显著性参数与休止角的回归模型,得到显著性参数的最佳组合为：油菜籽-播种箱板的静摩擦系数0.283、油菜籽-油菜籽滚动摩擦系数0.036、油菜籽-油菜籽静摩擦系数0.284。最后将最佳参数组合下仿真得到的休止角与真实试验值进行对比验证,发现二者无显著性差异（P>0.05）,表明应用响应面优化标定油菜籽离散元仿真中所需的参数是可行的;同时,标定所得的最佳参数组合可为油菜籽离散元仿真参数的选取提供参考。     

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。     

水稻往复拨叉式排种器设计及其运动过程的离散元法仿真分析

为满足水稻精量穴直播生产需求,以往复式排种器为基础,设计了一种往复拨叉式排种器。介绍了往复拨叉式排种器的工作原理、结构组成及关键部件设计。根据水稻种子的外形尺寸及充种状态概率,设计了5种规格的U型充种型孔;为缩短运种行程,采用了偏心轮传动机构,并设计了刮种装置。借助EDEM离散元法对其进行运动模拟仿真,分析其排种过程并提出改进措施。仿真结果显示:往复拨叉式排种器在充种型孔长、宽、厚分别为10.0、9.0、5.0 mm,拨叉杆往复运行频率为10 Hz运行条件下,稻种粒数为3~6粒的穴数在90%以上,重播指数及漏播指数均小于5%,满足水稻机械化精量穴直播要求。     

基于离散单元法的荞麦播种机排种器设计与试验

为优化荞麦播种机外槽轮式排种器的最佳排种性能参数,满足3种典型荞麦种子的农艺要求,降低田间试验强度,采用球颗粒聚合法建立3种典型荞麦种子的EDEM仿真分析模型,通过试验测量计算3种荞麦种子在不同接触形式下的刚度系数和阻尼系数,基于离散单元法对荞麦播种机排种器进行数值模拟.采用L_4(2~3)正交试验法进行排种器工作过程模拟,研究不同转速、凹槽半径和槽数对排种器排量的影响.仿真试验结果表明:凹槽半径为3×10~(-3) m,槽数为20,槽轮转速为58.58 r/min时,排种器能够满足3种荞麦种子的最大播量要求.台架试验结果表明:台架试验与仿真试验的排量相对误差2.93%～9.90%;荞麦排种器的排量随槽轮转速的增加而增加,总体线性度相关系数R~20.98.     

基于离散元法立式螺旋开沟器开沟质量的评价

为了定量评价立式螺旋开沟器的开沟质量,构建立式螺旋开沟器与土壤相互作用的三维离散元模型,土壤颗粒之间选用Hertz-Mindlin with Bonding模型,以转速180 r/min、前进速度0.027 m/s模拟开沟1.88 m,利用EDEM软件Analyst模块中的标尺、查询等工具对开沟质量指标进行定量测定,结果表明沟型整齐,平均开沟宽度29.4 cm,平均开沟深度31.7 cm,开沟深度稳定性为87.32%,沟底浮土6.924 kg/m,直观给出沟两侧抛土量的分布图.开沟质量符合《田间开沟机械作业质量》(NY/T 740-2003)的要求,为立式螺旋开沟器的参数优化奠定了基础.