葡萄藤防寒土与清土部件相互作用的离散元仿真参数标定

为系统地研究中国北方地区沙壤土质地的葡萄藤防寒土及其与清土机清土部件常用材料(Q235钢、橡胶)相互作用的离散元仿真参数,以构建准确的土壤离散元仿真模型,该文选用整合延迟弹性模型(hysteretic spring contact model,HSCM)和线性粘附模型(liner cohesion model,LCM)作为土壤颗粒间的接触模型;基于土壤堆积试验,以土壤颗粒间恢复系数、静摩擦系数、滚动摩擦系数和土壤粘附能量密度为因素,以土壤堆积角为指标,利用EDEM进行通用旋转中心组合模拟试验,采用Design-Expert软件对试验数据进行回归分析,以实测的土壤堆积角作为优化目标值,获得土壤颗粒间的最佳接触参数组合;利用土壤屈服试验获得HSCM模型参数;基于斜面滑动法原理,利用倾斜板试验台测得土壤与Q235钢和橡胶之间的静摩擦系数,并以此为基础,采用土壤滑落试验,以滑动摩擦角为响应值,对土壤颗粒与Q235钢和橡胶之间的恢复系数和滚动摩擦系数进行寻优,得到最优解参数组合。为验证标定优化的离散元模型参数的准确性,采用刮土板土槽试验和仿真试验进行对比分析,获得刮土板在土槽试验和仿真试验中的水平前进阻力分别为228.36 N和213.79 N,两者之间的相对误差为6.38%,表明仿真模型中土壤的物理力学特性与实际土壤基本一致,验证了葡萄藤防寒土离散元仿真参数标定结果和研究方法准确可靠。研究结果可为基于离散元法研制适用于北方地区沙壤土质地的葡萄藤防寒土清土机提供理论基础和技术支撑。     

沟栽葡萄防寒布覆土卧式刷辊清除装置设计与试验

针对中国西北地区沟栽葡萄春季防寒布上方大量覆土影响防寒布回收的问题,该研究设计了一种水平卧式刷辊清土装置,用于清除防寒布上方埋土。首先,通过理论分析确定了清土总成结构和工作参数取值范围。进一步,基于EDEM-RecurDyn耦合仿真建立柔性清土总成-土壤作用模型,模拟清土作业过程。以清土率和清土总成的转动扭矩为试验指标,设计Plackett-Burman和Box-Behnken仿真试验,以清土率最大和扭矩最小为优化目标,获得最优参数组合为：机具前进速度0.3 m/s、转速550 r/min、安装角30°、叶片偏角0°,清土率和扭矩预测值分别为86.72%、73.36 N·m。最后,采用最优参数组合进行田间试验,结果表明,清土率和扭矩分别为84.12%和78.62 N·m,与仿真优化结果的相对误差分别为3.0%和7.2%。研究结果可为防寒布辅助埋土防寒模式下清土机械研究提供技术参考。     

基于颗粒聚合体的玉米果穗建模方法

在采用离散元法分析玉米脱粒过程时,需要建立玉米果穗的分析模型。该文根据玉米果穗的结构和形态,提出基于颗粒聚合体的玉米果穗分析模型建模方法,并研制了玉米果穗的建模软件,同时添加到自主研制的玉米脱粒过程分析软件中。通过实际玉米果穗与其分析模型的对比和玉米脱粒过程的初步仿真分析,证明了该玉米果穗建模方法的可行性,为采用离散元法分析玉米的脱粒过程奠定了基础。     

自动避障式葡萄藤防寒土清土机研制

针对目前葡萄藤防寒土清土机自动化程度低、清土不彻底和易伤藤等问题,该研究基于多体动力学软件RecurDyn和离散元软件EDEM耦合仿真的方法,面向中国北方砂壤土地区葡萄园内的葡萄藤防寒土清除,提出采用柔性刷子与橡胶组合的清土作业部件,并设计了一种自动避障式葡萄藤防寒土清土机,主要由机架、避障摆动机构、避障信号采集机构、控制器、清土部件、挡土板、传动部件和限深轮等部分组成,在机具前进作业过程中,通过触杆感知自动避开水泥柱,并将葡萄藤上覆盖的防寒土清除干净。采用耦合仿真试验,模拟整机避障清土的作业过程,以机具前进速度、避障油缸速度、清土部件转速和触杆转动角度阈值为试验因素,以土壤清除率为试验指标,进行四因素二次回归正交旋转中心组合模拟试验,采用Design-Expert软件对试验数据进行回归显著性分析,确定了对试验结果影响显著的因素,以土壤清除率最大为优化目标,获得了机具的最佳作业参数组合:机具前进速度0.43 m/s、避障油缸速度60 mm/s、清土部件转速550 r/min、触杆转动角度阈值10°,此时仿真优化的土壤清除率为54.65%。加工物理样机并进行田间验证试验,得到田间试验的土...     

面向播种过程离散元仿真的玉米颗粒建模方法

为实现基于离散元法的玉米播种过程数字化重现,改善播种机械的性能,需要构建相应的玉米颗粒群体模型。该研究对东北地区常见的玉米品种的颗粒形状、尺寸分布进行统计分析,提出了一种通用的玉米颗粒形状分类方法;在此基础上,基于球填充构建了相应的玉米颗粒群体离散元法建模方法,并以吉平1和平安11两个品种玉米为研究对象,通过堆积试验和筛分试验对填充球数目进行了优化。仿真结果表明,当马齿形、球锥形和类球形玉米颗粒模型的填充球数目分别为10～14、18和1时,玉米颗粒离散元法模型群体特性与实际玉米颗粒群体特性相一致,初步证明了所提玉米颗粒群体建模方法的有效性;最后,基于所建立的玉米颗粒群体模型进行了内窝孔排种器排种过程仿真,对其排种轮转速进行了优化,仿真优化结果与试验结果一致,进一步验证了本文所提出的玉米颗粒群体建模方法的有效性。研究结果可为播种机械数字化设计提供一定参考。     

基于Modelica语言建模的柴油机稳动态性能仿真与试验

针对传统柴油机建模效率不高、所建模型抽象不易理解、软件平台开放程度差、模型通用性低的问题,采用多领域统一物理建模规范Modelica语言和面向对象的建模思想建立了柴油机的仿真模型。以上柴D4114B型发电用柴油机为例,在解决上述问题的同时模拟了负荷特性下柴油机的稳态过程,最高压力、排温等稳态数据点的实测值与仿真值的最大相对误差为8.9%,证明了所建立的柴油机模型具有较好的稳态性能。在此基础上进行了动态仿真,模拟了转速、单缸循环油量等参数的动态变化规律,并将部分参数的仿真值与实测值进行比较,两者吻合得比较好,证明了所建立的柴油机模型能较好地预测其动态性能,可为后续的基于Modelica语言的柴油机建模提供参考。     

不同含水率黏重黑土与触土部件互作的离散元仿真参数标定

为了获得可用于东北地区黏重黑土与触土部件相互作用的离散元仿真模拟参数,该文利用EDEM中Hertz-Mindlin with JKR Cohesion接触模型对不同含水率的东北地区黏重黑土进行相关参数标定,针对含水率在10%～20%的实际作业环境,分别配置含水率为12.46%±1%和17.15%±1%的2种黏重黑土,以土壤颗粒间的滚动摩擦系数、恢复系数、表面能参数及静摩擦系数为标定对象,并以土壤颗粒的仿真堆积角为响应值,基于Box-Behnken的响应面优化方法得到堆积角回归模型,并对回归模型进行寻优,得到2种含水率的模型参数优化解,并给出了模型参数范围。测定了4种含水率下黏重黑土对3种触土部件材料(65Mn、UHMW-PE和PTFE)的静摩擦系数,并以此为基础分别对65Mn(典型铁基材料)和PTFE(典型低表面能材料)板进行斜面试验,以含水率为17.15%±1%的黏重黑土为试验对象,分别搭建斜面物理试验平台和仿真模型,以土壤颗粒与触土部件材料之间的滚动摩擦系数、恢复系数、表面能参数及静摩擦系数为标定对象,以仿真得到的土球在65Mn和PTFE板上的滚动距离为响应值,基于响应面优化法得到滚动距离回归模型,以实测的滚动距离为目标对回归模型进行寻优,得到黏重黑土对2类典型触土部件材料接触模型参数的优化解。研究结果表明,标定优化后的土壤模型能够近似代替真实的东北地区黏重黑土进行仿真,可利用标定后的参数进行黏重黑土与触土部件间的离散元仿真,可为东北黏重黑土作业条件下的农业机械触土部件仿生减阻设计与优化提供基础数据。     

基于EDEM的水稻秸秆建模及力学性能分析

秸秆的含量、力学特性等会影响机械的耕作过程,降低耕作速度,增加耕作时间,为此进行水稻秸秆力学性能分析具有重要的意义。借助于多用途离散元法建模软件(Discrete element model简称为EDEM),本文建立了水稻秸秆离散元力学模型。以秸秆的弯曲试验为基础,对模型参数进行了标定。通过对水稻秸秆离散元力学模型的剪切、径向压缩以及拉伸特性试验进行模拟仿真,对模型的相关力学性能进行了对比分析,并验证了模型的有效性,以期为秸秆相关系统的数值模拟研究提供模型基础。分析结果表明,在剪切、径向压缩、拉伸力学特性试验中,水稻秸秆EDEM模型与试验秸秆的相关强度误差分别为16.51%、6.59%和7.90%。虽然力学特性试验与数值模拟之间仍存在一定的误差,但数值模拟与力学特性试验的秸秆变化趋势总体一致,建立的水稻秸秆离散元模型可以有效地反映水稻秸秆的力学特性。     

基于DEM-MBD耦合算法的振动深松土壤扰动过程分析

为深入分析振动深松过程中耕层土壤扰动过程,该研究采用离散元法(Discrete Element Method,DEM)与多体动力学(Multi-Body Dynamics,MBD)耦合算法对振动深松作业过程进行仿真分析.采用MBD构建拖拉机-振动深松机-土壤系统仿真模型,利用DEM建立耕作土壤的离散元模型,考虑土壤颗粒...     

基于离散元法的深松作业玉米秸秆运动规律

东北垄作区玉米秸秆还田条件下,针对垄台播种带秸秆残茬易导致深松铲以及后续机具缠草堵塞和阻力增加等问题,建立深松铲-土壤-秸秆-根茬的离散元模型,分析仿真因素秸秆距垄台中心距离、秸秆与机具前进方向夹角、根茬状态（根茬中间切割、根茬一侧切割、根茬挑起和无根茬）和秸秆之间相互影响对深松作业过程中秸秆拨离垄台的影响。进一步探究深松铲作用下垄上秸秆运动规律并分析其扰动比阻（秸秆扰动力矩与深松铲阻力之比）。仿真结果表明：秸秆距垄台中心距离对秸秆位移中的水平侧向运动的影响最大;秸秆水平侧向位移随着秸秆与机具前进方向夹角增大呈减小趋势;根茬状态影响秸秆位移的主次顺序依次为：根茬挑起、根茬一侧切割、无根茬、根茬中间切割;当秸秆距垄台中心距离为60 mm时,秸秆之间相互影响对秸秆位移中的前进方向运动的影响最大;当秸秆距垄台中心距离大于60 mm,秸秆前进方向位移呈增大趋势。秸秆运动的力矩变化趋势为平稳变化,后产生峰值,最后又趋于平稳;影响秸秆力矩的主次顺序依次为：根茬状态、秸秆之间相互影响、秸秆距垄台中心距离、秸秆与机具前进方向夹角。深松过程中,秸秆扰动比阻在切割根茬一侧时达到最大值0.152 mm。田间对比试验结果表明,仿真模型得到的秸秆总位移、水平侧向、前进方向和垂直方向位移与田间试验值的误差分别为0.36%～9.67%、0.16%～12.31%、0.56%～10.11%和0.43%～4.63%,秸秆力矩的误差为0.16%～11.06%。研究结果可为深松铲设计以及优化提供一定的理论依据。     

仿旗鱼头部曲线型开沟器设计与性能试验

为了减小播种开沟器的工作阻力,降低其对土壤的扰动,根据旗鱼头部的流线型曲线,建立了拟合曲线的数学模型,设计了仿旗鱼头部曲线型开沟器。为获得该开沟器工作时工作阻力及其对土壤扰动情况,进行离散元仿真和室内土槽试验。在前进速度为0.5 m/s时,分别以3种土壤含水率、3种开沟器开沟深度为因素进行仿真及室内试验。仿真结果:在含水率为12%±1%时,工作阻力、对土壤扰动宽度和回土深度随开沟深度的增加呈增加趋势;在开沟深度为60 mm时,工作阻力随含水率的增加而增加,但对土壤扰动宽度、回土深度影响不明显。工作阻力仿真与试验结果对比,两者变化趋势大致相同,相对误差在5.04%~27.08%之间。土壤扰动情况仿真与试验结果对比:回土深度的仿真与试验结果接近,而土壤扰动宽度的仿真与试验结果差别较大,可能是土壤颗粒粒径较大引起的,但变化趋势基本一致。由此说明了采用离散元法模拟开沟器的工作阻力及其对土壤扰动情况的可行性。该文可为开沟器的设计与优化提供参考。     

联合整地机匀土旋平刀辊设计与试验

为解决联合整地机破茬翻埋作业后地表平整度低、土壤分布不均匀的问题,该研究设计了分段反螺旋式匀土旋平刀辊,提出田口法结合离散元仿真的刀辊参数设计思路。首先定性分析并确定了影响刀辊轴向运土和抛土的关键因素及水平;然后以作业后地表平整度为优化目标,以沙壤土和黏壤土为噪声因子,利用田口法设计试验并进行离散元仿真,得出适应不同土壤类型的最优参数组合为：刀轴转速300 r/min、螺旋升角70°、旋耕刀型号IT245、刀轴直径80 mm、刀座间距62 mm、旋耕刀双螺旋排布,此时地表平整度仿真值为14.2 mm。以最优参数组合制造样机并进行田间验证试验,作业后地表平整度为11.6 mm、土壤分布均匀度为92.6%、耕深稳定性系数为93.2%、破土率为86.4%,优于小麦种植对耕整地的要求,所设计的刀辊有效。研究结果可为联合整地机刀辊设计提供参考。     

越沙步行轮仿生设计及动力学性能仿真

为提高车轮在沙土介质环境的通过性能,基于鸵鸟足趾结构形貌与运动方式,设计出一种仿生越沙步行轮。该步行轮通过轮脚中的定立柱和动滑块相互配合实现对轮下沙土的限流紧固功能,同时自适应带动轮刺机构进入附着牵引工作状态与离沙减扰非工作状态。采用多刚体动力学分析软件,预测了仿生越沙步行轮轮腿各部件之间的活动范围和干涉情况。采用离散元软件,分析了轮脚底面/沙土相互作用关系,验证了该仿生越沙步行轮具有良好的固沙限流、牵引附着性的特点。该研究为提高松软地面中步行机构的通过性能提供了参考。     

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。     

螺旋不连续加料装置结构优化与性能仿真

为了解决目前螺旋加料装置不连续加料量不稳定、能耗高等问题,开展螺旋不连续加料装置的结构优化与性能仿真研究。首先分析螺旋加料性能指标以及螺旋加料装置不同结构参数对其不连续加料性能影响;其次,以外径100mm螺旋不连续加料作为研究对象,以单位加料量消耗的能量最小为优化目标,选取螺旋体的内径、螺距以及工作转速为优化设计变量,确定对应约束条件,采用随机方向优化算法,得到优化结果是:转速65r/min,内径40mm,螺距85mm。最后,利用离散单元法仿真分析不同内径和螺距对颗粒填充率、加料量变化和加料能耗等加料性能的影响,结果表明:内径50mm和螺距100mm时加料稳定性与能耗综合表现较好,而在内径40mm、螺距85mm时综合性能最好。该研究结果可为加料稳定、低能耗的螺旋加料装置的设计提供参考。     

Structure optimization and performance simulation of screw discontinuous feeding device

为了解决目前螺旋加料装置不连续加料量不稳定、能耗高等问题,开展螺旋不连续加料装置的结构优化与性能仿真研究。首先分析螺旋加料性能指标以及螺旋加料装置不同结构参数对其不连续加料性能影响;其次,以外径100 mm螺旋不连续加料作为研究对象,以单位加料量消耗的能量最小为优化目标,选取螺旋体的内径、螺距以及工作转速为优化设计变量,确定对应约束条件,采用随机方向优化算法,得到优化结果是：转速65 r/min,内径40 mm,螺距85 mm。最后,利用离散单元法仿真分析不同内径和螺距对颗粒填充率、加料量变化和加料能耗等加料性能的影响,结果表明：内径50 mm和螺距100 mm时加料稳定性与能耗综合表现较好,而在内径40 mm、螺距85 mm时综合性能最好。该研究结果可为加料稳定、低能耗的螺旋加料装置的设计提供参考。     

一种土壤电导率实时分析仪的试验研究

开发了一种适合我国较小地块应用的便携式土壤电导率实时分析仪,室内性能试验表明,探针在Wenner组态和Schlumberger组态条件下,仪器输出电压与土壤电导率具有一致的变化趋势,特别是在Schlumberger组态某结构下,传感器获得了最高的测量精度.对实验结果进行了非线性回归建模,采用的3个模型分别是幂函数模型、多项式模型和指数模型,模型分析结果显示,幂函数模型具有最优的预测结果,模型测定系数达到0.994.幂函数模型的常数项与传感器结构有关,乘幂项则不随传感器结构参数变化,而受土壤质地、土壤密度等因素的影响.模型还需要通过田间试验进一步验证.