玉米秸秆粉料致密成型离散元模型参数标定

为了提升秸秆粉料致密成型过程中离散元仿真所需参数的准确性,以玉米秸秆粉料为研究对象,利用EDEM软件中的Hertz-Mindlin with JKR粘结接触模型进行玉米秸秆粉料致密成型离散元仿真模型参数标定研究.首先,以接触参数的物理试验结果作为仿真参数选择依据,应用Plackett-Burman试验对初始参数进行筛选...     

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。     

基于离散元的土壤模型参数标定方法

离散元法(EDEM)建立土壤模型过程中部分土壤颗粒参数直接测量难度较大,若基于间接测量的土壤参数值建立离散元土壤模型进行仿真,导致仿真结果误差较大。本文结合代理模型基本理论,提出一种离散元土壤模型的参数标定及优化方法,步骤如下:根据基本试验测定的参数建立离散元土壤模型;结合堆积角及剪切试验,利用模型仿真进行模型参数敏感性分析;以敏感性参数为变量,以真实试验测量值为目标值构造代理模型;通过高斯-牛顿迭代法进行参数优化。由敏感性分析结果知,代理模型自变量为土壤颗粒半径、颗粒间静摩擦因数及滚动摩擦因数,目标量为土壤堆积角、黏聚力、内摩擦角。以涿州保护性耕作试验站土壤(砂壤土)为原型,经优化建立的土壤模型变量参数值分别为:颗粒半径5.7 mm,颗粒间静摩擦因数0.45,滚动摩擦因数0.21。将建立的离散元土壤模型进行轮胎-土壤相互作用仿真模拟,分析轮胎-土壤接触面最大应力、平均应力,并通过田间试验进行验证,将接触面最大应力值、平均应力的仿真值与实际测量值进行比较,结果表明:虚拟仿真与实测值之间数值差异在5.1%以内,标定优化后的土壤模型能够近似代替真实土壤进行仿真。     

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。     

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。     

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...     

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。     

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。     

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。     

离散元模拟中沙土参数标定方法研究

农业机械与土壤相互作用仿真时,选用颗粒相互作用参数的准确度将直接影响仿真结果。本文提出一种通过试验与模拟相结合系统地标定沙土颗粒相互作用参数的方法。通过堆积角测试装置、三轴剪切试验仪、图像颗粒分析系统等设备测量计算沙土的堆积角、剪切模量、粒径分布和外观形貌等参数,为颗粒或工厂建模提供参考。使用标准球和非标准球对沙土颗粒的碰撞恢复因数、静摩擦因数、滚动摩擦因数进行标定。研究不同质量和不同标定方法(抽板法和漏斗法)是否对堆积角产生影响。模拟结果表明,选用标准球标定时,碰撞恢复因数是0.15,静摩擦因数是0.8,滚动摩擦因数是0.2,抽板法得到的堆积角是33.99°,相对误差是4.74%;漏斗法得到的堆积角是33.59°,相对误差是3.51%。同时,选用非标准球进行标定时,碰撞恢复因数是0.15,静摩擦因数是0.2,滚动摩擦因数是0.3,抽板法得到的堆积角是32.06°,相对误差是1.20%。由此看出,颗粒外观形貌对颗粒间静摩擦因数影响相对较大。     

基于Tavares模型的多面体棉籽离散元参数标定与试验

针对基于离散元法的棉籽压缩破碎过程中缺少准确仿真模型的问题,本文以新陆早84号棉籽为研究对象,结合物理试验与仿真试验,对棉籽参数进行标定。基于三维扫描技术,使用Solidworks 2022中的网格建模功能,快速建立棉籽多面体模型。采用堆积角试验对棉籽种间参数进行标定,得到棉籽-棉籽碰撞恢复系数、棉籽-棉籽静摩擦因数、棉籽-棉籽滚动摩擦因数的最优参数组合为0.106、0.248、0.105,仿真堆积角与实际堆积角相对误差为0.28%,证明棉籽种间参数准确。通过单颗粒压缩试验对Tavares模型参数进行标定,以棉籽破碎力与破碎能为指标进行验证,结果表明棉籽破碎力与破碎能相对误差分别为2.37%和2.87%,说明构建的棉籽模型和Tavares模型参数可以表征棉籽压缩破碎过程。     

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...     

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。     

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。     

燕麦和箭筈豌豆混合种子离散元模型参数标定与试验

为了更好地应用离散元法研究燕麦和箭筈豌豆种子的混播过程,提高种子离散元模型的准确性,结合实际试验和仿真试验对仿真参数进行了标定。通过抽样分别测量了燕麦和箭筈豌豆种子的本征参数,并建立了种子离散元模型。采用碰撞试验、斜面滑动试验和斜面滚动试验,分别对燕麦种子和箭筈豌豆种子与ABS塑料板间的碰撞恢复系数、静摩擦因数及滚动摩擦因数进行了标定,得到燕麦和箭筈豌豆种子与ABS塑料板间的碰撞恢复系数分别为0.441、0.435,静摩擦因数分别为0.506、0.454,滚动摩擦因数分别为0.059、0.047。基于堆积试验,利用最陡爬坡试验和二次回归正交旋转组合试验方法,以混合种子堆积角的EDEM仿真值与实际值的相对误差为指标,确定种间碰撞恢复系数、静摩擦因数、滚动摩擦因数分别为0.320、0.327、0.042。利用螺旋排种装置对标定结果进行了验证,得到仿真试验与实际试验的混合种子质量流率平均相对误差为1.76%,燕麦和箭筈豌豆种子的排种质量比平均相对误差为2.03%,验证了仿真试验的可靠性,标定的结果可用于燕麦和箭筈豌豆种子混播过程的离散元仿真试验。