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。     

基于离散元的菠菜收获机根切铲优化设计与试验

针对菠菜收获过程中收获散乱、根切阻力大等问题,从根土复合体特性着手,分析收获过程中菠菜根、土壤与根切铲之间的互作关系,以优化根系聚拢、减少土壤雍堵和降低铲切阻力,提高菠菜切根效率。设计了一种兼具切根与根系聚拢功能的新型根切铲,建立了根切受力模型,对铲刀的关键参数进行计算优化,确定了铲刀滑切角为60°,刃口角为45°;测定了菠菜根的生物力学特性,建立菠菜根柔性体离散元模型,并基于颗粒接触力学模型的本构方程计算出菠菜根的粘结参数,结合土壤模型建立菠菜根土复合体,并对各项参数进行标定;构建了根切铲与根土复合体的铲切过程仿真,明晰根切铲的工作机理,确定影响切根与根系聚拢性能的主要参数。利用响应面法对根切铲各项参数进行优化,确定根切铲的最优设计参数为：铲翼角76°、铲翼长度占比57%、铲槽面积占比40%。田间根切试验表明：根切合格率均值为93.8%,采收率均值为87.2%。本研究可为菠菜收获机根切机构的研制提供理论指导。     

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。     

基于离散元法的三七仿生挖掘铲设计与试验

为减小三七收获过程中的挖掘阻力,以三七根茎及种植土壤为研究对象,测定本征物理参数,设置Bonding键参数建立三七根茎的离散元模型,分析根土粘结机理,利用Hertz-Mindlin with JKR建立三七根茎-种植土壤离散元复合模型;建立并分析挖掘铲的理论力学模型,确定仿生挖掘铲设计尺寸(长×宽×厚)为：360 mm×150 mm×8 mm、入土角30°、铲尖半角60°;采集野猪头三维模型的点云数据,确定仿生铲的结构曲线方程,建立仿生挖掘铲的三维模型;开展仿生挖掘铲与平面挖掘铲的仿真对比试验,追踪颗粒位移流向得平均位移以及平均挖掘阻力,分析颗粒的速度矢量明晰了挖掘铲面的减阻机理,得仿生挖掘铲的仿真试验减阻率为19.15%;利用高速摄影和阻力采集设备开展土槽试验,结果表明土壤颗粒流向与仿真趋势一致,仿生挖掘铲和平面挖掘铲的平均挖掘阻力为1 207.23、1 594.49 N,仿生挖掘铲减阻率为24.29%,与仿真试验减阻率十分接近,验证了离散元模型准确可靠、挖掘铲力学模型构建准确,仿生结构设计合理。     

玉米田耕层典型土壤离散元模型建立与参数标定

为获取玉米田耕层不同土壤的各项参数,本文将玉米田耕层典型土壤分为未与玉米根茬接触的普通土壤(PT)和与玉米根茬结合形成根土复合体的土壤(GT),采用物理试验与离散元仿真相结合的方法,分别对离散元参数进行标定。基于Hertz-Mindlin(no slip)接触模型,采用中心组合试验设计方法,以土壤堆积角为目标值,进行了四因素五水平仿真试验。基于Hertz-Mindlin with bonding接触模型,采用Design-Expert软件,应用Plackett-Burman设计敏感性分析试验、最陡爬坡试验、Box-Behnken试验,以土壤硬度为目标值,对显著性参数进行寻优,得到PT最优解组合为：粘结键法向刚度4.37×10⁷ N/m³、粘结键切向刚度1.46×10⁷ N/m³、切向极限应力3.24×10⁵ Pa; GT最优解组合为：粘结键法向刚度5.19×10⁷ N/m³、粘结键切向刚度4.25×10⁷ N/m...     

收获期菊芋根-块茎离散元柔性模型研究

目前，菊芋机械化收获过程中的清选及输送等环节作业参数设定缺乏适用的理论依据，以收获期菊芋根-块茎为研究对象，基于离散元方法建立了一种能反映根须柔性和块茎脱落力学特性的粘结模型并对其相关参数进行了标定。首先通过物理试验确定了菊芋根-块茎本征参数、基本接触参数及相关力学参数，然后在此基础上利用Hertz-Mindlin with bonding V2接触模型构建了菊芋根-块茎粘结模型，并通过单因素试验和响应曲面试验，分别标定了菊芋根颗粒之间和根与块茎颗粒之间法向粘结刚度、切向粘结刚度、临界法向应力、临界切向应力等粘结模型参数。菊芋根须三点弯曲及根-块茎拉伸试验结果表明，根须弯曲弹性模量仿真结果与实际测量值相对误差为4.29%;菊芋根-块茎抗拉力仿真结果与实际测量值相对误差为7.72%;菊芋块茎脱落试验结果表明，仿真试验与菊芋收获机实际田间作业相比，滚筒筛转速对菊芋块茎脱落率影响趋势一致，筛内物料筛分规律相符。所构建的菊芋根-块茎模型可用于菊芋机械化收获相关环节的分析研究。     

藜麦秸秆接触物理参数测定与离散元仿真标定

探明藜麦秸秆的力学特性是进行藜麦相关机械研发与优化的前提。以藜麦秸秆为研究对象,借助离散元建模软件(Discrete Element Method,DEM)对藜麦秸秆进行离散元建模,并通过物理试验与虚拟试验相结合的方法对藜麦的粘结接触模型(Bonded Particle Model,BPM)进行了参数校核。结果表明：(1)以300 mm/min为加载速度,对含水率为59.61%的陇藜一号藜麦秸秆进行径向压缩试验时,最大临界载荷为173.67 N,抗压强度为0.116 MPa;(2)对bond粘结模型进行参数校核后,得到单位面积法向刚度、单位面积切向刚度、临界法向应力临界切向应力及粘结半径分别为2e+09 N/m³, 1.5e+09 N/m³, 3e+07 Pa, 2e+07 Pa, 0.96 mm,此时离散元模型力学特性与藜麦秸秆相接近;(3)经过计算得到藜麦秸秆模型的抗压强度为0.120 MPa,与试验结果的相对误差为6.0%。试验结果验证了此参数组的准确性,也为藜麦秸秆的其他仿真试验提供参考。     

基于离散元法的耕层残膜拉伸性能研究

由于耕层残膜回收机关键农机部件设计优化过程中缺乏准确的残膜离散元模型参数,在一定程度上制约了耕层残膜回收机残膜受力机理分析与机构优化改进。本文以棉田耕层残膜为研究对象,对耕层残膜含量和极限拉伸力进行测定,得到不同耕层深度、不同厚度的残膜含量和极限拉伸力。根据测定结果,利用EDEM软件选用Hertz-Mindlin with Bonding接触模型对耕层残膜进行离散元模型参数标定,选用单位面积法向刚度、单位面积切向刚度、临界法向应力、临界切向应力、粘结半径、接触半径为试验因素。通过Plackett-Burman试验,确定影响Bond键的主要参数有单位面积法向刚度、临界法向应力和粘结半径。通过最陡爬坡试验和Box-Behnken试验,最终确定最优的Bonding模型显著参数单位面积法向刚度、临界法向应力、粘结半径分别为2.36×105N/m3、6.47×104Pa、0.004mm,对参数进行了仿真试验验证,误差为5.88%,满足要求。通过对比物理试验与仿真试验的拉伸过程耕层残膜状态与拉伸曲线,表明了耕层残膜模型合理性,为后期耕层残膜回收机仿真与膜土分离机理研究提供了理论支撑。     

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。     

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。     

收获期油菜薹茎秆双层粘结离散元模型建立与优化

针对与油菜薹机械化收获中的切割、夹持输送、打捆等关键环节密切相关的油菜薹茎秆离散元仿真模型缺乏准确粘结参数的问题,以“油蔬两用”双低型油菜收获期油菜薹机械化夹持段茎秆为研究对象,利用EDEM仿真软件提出三轴空间坐标法构建油菜薹夹持中段茎秆双层粘结离散元仿真模型。采用Design-Expert软件依次设计了Plackett-Burman试验、最陡爬坡试验和Box-Behnken试验,完成油菜薹夹持中段茎秆仿真粘结参数标定。利用标定的参数优化解构建剪切和径向压缩模型进行相应仿真试验,通过与物理试验对比分析,对模型参数进一步优化。结果表明,内芯-内芯的法向/切向接触刚度、表皮-内芯法向/切向接触刚度,以及表皮-表皮法向接触刚度对茎秆力学性能影响显著,分别为1.94×10⁷、9.56×10⁸、6.28×10⁹ N/m;所有力学模型的仿真值与实测值相对误差不大于3%,且茎秆受力变化趋势基本一致,表明标定优化后的参数具有可行性和准确性。所构建的油菜薹茎秆双层粘结离散元模型能表征其内部结构的力学特性差异,可为油菜薹茎秆相关系统的数值模...     

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...     

桑园土壤非等径颗粒离散元仿真模型参数标定与试验

为获取土壤离散元仿真模型的土壤颗粒物理参数和接触参数,本文采用试验与仿真相结合的方法,以桑园土壤为例,对土壤颗粒的接触参数进行了仿真标定。首先利用粉体仪、斜面仪、等应变直剪仪等,分析了试验地不同深度土壤的粒径分布,测量了试验地不同深度土壤休止角、滑动摩擦角、剪应力、内聚力、内摩擦角;然后,根据实测土壤粒径分布,利用EDEM软件建立了非等直径土壤球形颗粒模型。在此基础上,以土壤颗粒间及土壤与65Mn钢间的静摩擦因数、滚动摩擦因数、恢复系数为试验因素,土壤休止角、土壤-65Mn钢滑动摩擦角为目标值,建立了基于中心组合试验设计（CCD）方案,并利用Design-Expert软件对仿真试验结果进行了分析,得到了仿真标定的土壤-土壤间静摩擦因数、滚动摩擦因数和恢复系数的最优值分别为0.89、0.45和0.43;标定的土壤-65Mn钢间静摩擦因数、滚动摩擦因数和恢复系数的最优值分别为1.15、0.05和0.4。利用以上标定的最优参数对桑园土壤进行了休止角与滑动摩擦角仿真试验,试验结果表明,休止角仿真值与试验值相对误差为1.69%,土壤-65Mn钢的滑动摩擦角仿真值与试验值相对误差为2.88%。在此基础上,依据实测的土壤剪应力,采用试错法,以实测土壤内摩擦角为目标值,优化标定了土壤-土壤颗粒Hertz-Mindlin with Bonding接触模型中的粘结参数,标定法向粘结刚度、切向粘结刚度分别为1×108、5×107N/m3,临界法向应力和临界切向应力均为10kPa,接触半径为1.1倍颗粒半径,直剪仿真得到内摩擦角为30.24°,仿真值与直剪试验内摩擦角平均值相对误差为5.53%。本文提出的土壤颗粒建模方法、标定方法及其所标定的参数值,可用于砂质壤土桑园耕作机械触土部件与土壤相互作用的离散元仿真分析及其结构优化。     

基于离散元法的皂荚壳籽分离仿真与试验

针对打击式壳籽分离过程中存在皂荚壳破碎率低,以及皂荚壳易堵塞筛孔,造成壳籽分离效率低等问题,研究滚筒转速对皂荚壳籽分离的影响。通过对皂荚壳力学特性进行研究,基于离散元法建立皂荚壳离散元模型(Hertz-Mindlin with bonding),并对皂荚壳离散元模型进行粘结参数标定;得到皂荚壳粘结模型法向刚度、切向刚度、临界法向应力、临界切向应力为1.8 MPa、1.35 MPa、1.41 MPa、0.59 MPa。采用EDEM软件对皂荚壳籽分离过程进行仿真分析,仿真结果表明,在滚筒转速为200、360、400、500、1 000 r/min时,皂荚壳破碎率分别为41.7%、65.96%、88.3%、94.52%、94.8%,滚筒转速在500 r/min和1 000 r/min时,破碎率无明显变化,皂荚壳主要破碎形式为冲击破碎和挤压破碎,破碎后物料形态包括粉尘、丝状、未完全破碎3种。样机试验亦表明滚筒转速为500 r/min时,皂荚壳破碎率较高,且易于形成丝状物料,有利于皂荚壳籽分离和减小筛孔堵塞。     

振动式果树根系断切装置设计与试验

针对矮砧密植果园根系管控中根土复合体阻力过大,果树根系断切作业不理想等问题,设计一种振动式果树根系断切装置。对切割装置受力模型分析可知,影响阻力的因素主要有锯齿弯刀参数、根土复合体参数、根土复合体与锯齿弯刀参数及作业方式参数。对振动式果树根系断切装置切割装置进行设计与分析,应用有限元仿真软件对切割装置进行切割根土复合体模拟分析,切割装置振动状态下平均切削受力为236.97N,不振动状态下平均切削受力为432.35N,达到振动减阻目的。切割装置土槽试验表明,振动状态下所受水平合力均值均小于不振动状态下所受水平合力均值225.34N,振动状态下切割根土复合体作业效果良好,对根系以及土壤起到锯切效果,减小切削阻力。通过振动状态下切割装置切割根土复合体正交试验分析可知：最优作业参数为偏心距20mm,转速3r/s,土槽作业平台前进速度0.2m/s;土壤扰动量的主要影响因素是偏心距和前进速度;影响切割装置入土稳定性主要因素为偏心距和转速,观察作业现场得知入土深度稳定,满足入土要求。整机试验表明：根系平整切割占比左侧为21.05%、右侧为17.39%,锯切占比左侧为78.95%、右侧为82.61%,由此可知,振动式果树根系断切装置作业过程中振动断切装置对根土复合体起到锯切效果,减小机具和切割装置所受阻力,起到减阻效果;由试验现场可知,机具稳定性良好,作业后留下20~25mm沟壑,与入土切割装置厚度20mm一致。土壤外翻程度小,土壤弥合较好。     

深松铲对砖红壤扰动行为影响的仿真与试验

针对香蕉地深松作业相关研究较少，深松铲-土壤耦合机理尚未明确等问题，结合海南热区香蕉地砖红壤土的物理特性，利用离散元虚拟仿真试验，堆积生成了耕作层、犁底层和心土层3层土壤模型，建立了滑切深松铲-土壤耕作模型，并通过对比虚拟仿真试验，研究了滑式深松铲和国标深松铲对海南香蕉地土壤的扰动情况。结果表明：在相同的作业条件下，滑式深松铲作用下的土壤颗粒在x、y和z方向的最大运动速度均明显大于国标深松铲对土壤颗粒的作用，且滑式深松铲的扰动轮廓要明显大于国标深松铲作业的扰动轮廓，同时滑式深松铲作用下土壤蓬松度和土壤扰动系数均大于国标深松铲作用产生的深松效果，进一步验证了所设计的滑式深松铲更适用于海南香蕉地的深松作业。     

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Hertz-Mindlin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Hertz-Mindlin 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。     

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。     

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。     

小型振铲式马铃薯挖掘机的设计与减阻性能研究

针对丘陵山区马铃薯收获过程中大型机械不适用、小型拖拉机功率不足的问题,设计了振铲式马铃薯收获机,目的是减小挖掘阻力,提高薯土分离效率。为了研究振动参数对挖掘阻力以及土壤破碎量的影响,基于离散元法（DEM）,利用Hertz Mindlin无滑动接触模型和粘结接触模型建立了土壤模型,对振动挖掘过程进行了模拟,并通过模拟试验得到了挖掘过程中挖掘铲受到的阻力。