基于离散元的木薯种茎仿真参数标定方法研究_陈林涛.pdf

陈林涛，薛俊祥，牟向伟，等 基于离散元的木薯种茎仿真参数标定方法研究J 江苏农业科学，2023，51(4):198 205doi:10 15889/j issn1002 1302 2023 04029基于离散元的木薯种茎仿真参数标定方法研究基于离散元的木薯种茎仿真参数标定方法研究陈林涛1，3，薛俊祥1，牟向伟1，马旭2，3，刘文杰1，刘雨飞1，向金山1(1 广西师范大学职业技术师范学院，广西桂林 541004;2 华南农业大学工程学院，广东广州 510642;3 广东省水稻移栽机械装备工程技术研究中心，广东广州 510642)摘要:针对木薯机械化种植过程中切种与播种等环节离散元仿真研究缺乏准确模型等问题，以桂热 4 号木薯为研究对象，利用试验及离散元模拟结合的方法对木薯种茎离散元仿真参数进行标定。先测定种茎基本物理参数，应用Hertz Mindlin 无滑动接触模型开展颗粒堆积虚拟试验，并结合圆筒提升法进行种茎堆积物理试验。通过 2 水平因子试验、最陡爬坡试验以及响应面分析确定种茎基本接触参数。在此基础上，应用 Hertz Mindlin with bonding 接触模型开展种茎切断仿真试验，通过响应面分析颗粒切断离散元仿真参数。为验证标定参数准确性，通过侧壁坍塌试验进行参数验证，发现休止角的相对误差均小于 2%，相对误差平均值为 0 69%。研究结果表明，标定方法正确、仿真参数准确。关键词:木薯种茎;离散元法;种茎切断;堆积角;仿真参数;标定中图分类号:S223 2+6文献标志码:A文章编号:1002 1302(2023)04 0198 08收稿日期:2022 03 24基金项目:广西自然科学基金(编号:2018GXNSFAA050026)。作者简介:陈林涛(1993)，男，云南玉溪人，博士，讲师，硕士生导师，主 要 从 事 现 代 农 业 技 术 与 智 能 装 备 的 研 究。E mail:clt13424050147163 com。通信作者:牟向伟，博士，副教授，硕士生导师，主要从事现代农业装备与计算机测控技术研究。E mail:1574287180 qq com。研制木薯精密播种机需对切种、供种以及投种等多道工序进行结构设计优化1 2。现有木薯播种机采用预切种方式进行作业，利用切种机将种秆提前切成形状简单、长度约 150 mm 的种茎，由排种机构将种茎排至种沟3 4。众多研究表明，离散元法可应用于农业散体物料与机械装备相互作用的仿真分析5 7。应用离散元法研究木薯种茎离散元模型仿真参数，可加快木薯排种器研制周期，并改善其作业性能8 10。离散元模型仿真参数可分为材料本征参数和接触力学参数。材料本征参数大多可以通过标准化试验进行测定，但接触力学参数往往为微观参数，无法通过实测直接得到。因此，需对仿真参数进行重新标定11 15。国内外学者在种子颗粒标定方面的研究主要集中在水稻、三七等植物上14 15，对木薯种茎离散元参数标定研究鲜有报道。但对于类似作物秸秆的离散元仿真开展过一系列研究。王宪良等对秸秆模型堆积角、恢复系数等参数进行了标定16。王云霞等通过在两段秸秆之间添加连接点的方法，建立了一种弹性离散元秸秆模型，模型赋予连接点弹性阻尼，使其可承受扭矩和弯力17。鹿芳媛等分别对番茄藤、茄子藤等藤茎类秸秆进行离散元模拟，分析不同参数刀具切割受力情况18。木薯种茎为一定长度的圆柱状木质茎秆，且茎秆表面具有凸起，相比于水稻、三七以及番茄藤等作物在质量和形态方面均具有较大差异，目前研究较少且无类似作物作仿真参数的参考，难以开展木薯机械化装备的离散仿真研究。针对木薯机械化种植过程中切种与播种等环节离散元仿真缺乏准确模型等问题，笔者以桂热 4号木薯为研究对象，通过离散元软件，采用 Hertz Mindlin 基本模型，结合堆积角测试物理试验，以及筛选显著性因素和响应曲面试验，确定碰撞恢复系数、静摩擦因数和滚动摩擦因数等基本接触参数;采用 Hertz Mindlin with bonding 接触模型，利用种茎弯曲破坏试验和响应曲面确定法向与切向接触刚度、法向与切向应力等黏结参数19 23。1材料与方法1 1木薯种茎基本物理参数测定1 1 1基本参数测定选用桂热 4 号(广西壮族自治区亚热带作物研究所提供)，随机选取 100 颗种茎(平均含水率为 68 46%，百颗质量 5 987 83 g)进891江苏农业科学2023 年第 51 卷第 4 期行直径测量统计。经统计，种茎直径在 29 31 mm间占比为 59 颗(图 1)。仿真取种茎平均直径为30 mm。通过体积和质量测出种茎的平均密度为720 kg/m3。种茎泊松比为 0 42，径向剪切模量17 60 MPa，径向弹性模量5001 MPa，平均径向压缩强度143 MPa、平均径向剪切强度为253 MPa 24。1 1 2堆积角测定木薯种茎堆积角通过圆筒提升法试验进行测定25。将木薯种茎预先切制成长度为 150 mm 的试件。将钢质无底圆筒(内径400 mm 高 600 mm)固定在万能试验机上，将圆筒以 50 mm/s 速度向上提升，使木薯种茎形成颗粒堆。测定试验设为 10 次，记录试验结果并取其均值，试验现场见图 2。为减小测量的人为误差，通过图像处理技术提取并测量试验结果。将 10 组照片导入 MATLAB 进行数据处理(图 3)，计算木薯种茎堆积角，堆积角(0)平均值为 27 7。1 1 3切断破坏试验通过万能试验机进行种茎切断破坏试验，观察切断过程测定切刀所受阻力(图 4)。将木薯种茎试样分别固定在夹具上，对切刀进行加载，使其垂直向下运动切断种茎。计算剪切强度，试验重复10次。切刀材料为Q235钢(泊松比 0 28，剪切模量 8 20 104MPa)，切刀运行速度为 1 mm/s。剪切强度如下26:=Fmax2A。(1)式中:为剪切强度，MPa;Fmax为最大切断力，N;A为横截面积，mm2。通过种茎切断试验发现，切断过程中切刀受力 位移变化见图 5，可知当刀具接触到种茎为位移零点时，随着切刀不断下压，切力受力逐渐增大;直到木薯种茎切断的临界点，切刀受力达到最大值，种茎此时被切断，切刀受力急速下降。经过试验得出 10 组最大切断力，代入公式(1)，得出 10 组不同直径下木薯种茎相对应的剪切强度值(表 1)。得出剪切强度平均值为 0 19 MPa，反求出当木薯种茎的直径为 30 mm 时最大切断力为 268 47 N。991江苏农业科学2023 年第 51 卷第 4 期表 1木薯种茎试样的剪切强度值序号直径(mm)最大切断力(N)截面(mm2)剪切强度(MPa)127 9249 3611 05020235 4298 1983 73015327 2244 6580 77021425 1235 3494 56024532 2280 5813 92017629 1259 9664 75020737 3320 71 092 16015828 6254 7642 10020926 7239 5559 620211029 9263 4701 80019均值29 90191 2仿真模型的建立1 2 1接触模型选取由于种茎颗粒表面没有黏附力，故颗粒与部件之间接触模型选择无滑动接触模型。1 2 2堆积角仿真模型为真实模拟出种茎特性，采用多球聚合模型法建立木薯种茎的颗粒离散元模型27 29，用 60 个大小相异球体组合成种茎颗粒，木薯种茎主秆模型由 25 个大小相同的球体组成，木薯种茎主秆上的突起由 35 个大小不同的球体颗粒组成，Particles 模块创建，建立的颗粒模型见图 6。参考相关藤类农业颗粒物料的离散元仿真参数30 33，得出与本研究相关参数见表 2。在 EDEM中建立颗粒工厂，采用动态生成种茎颗粒总量 250颗。设定颗粒以 1 000 mm/s 初始速度下落，向上提升圆筒的速度设为 50 mm/s，最终形成姿态稳定的颗粒堆(图 7)。表 2木薯种茎颗粒堆积角仿真模型参数仿真模型参数数值木薯种茎泊松比(u1)042a木薯种茎剪切模量(G1，Pa)176 107 a木薯种茎间碰撞恢复系数(x1)0 1 07c木薯种茎间静摩擦系数(x2)0 2 08c木薯种茎间滚动摩擦系数(x3)002 0 08c木薯种茎 钢碰撞恢复系数(x4)0 1 07c木薯种茎 钢静摩擦系数(x5)0 1 07c木薯种茎 钢滚动摩擦系数(x6)002 0 08c注:上标 a 表示该数据由试验测定，c 表示该试验变量，取值为该变量的上下极限数值。1 2 3切断破坏仿真模型由于 Hertz Mindlin整体颗粒模型难以适用于木薯切断模拟仿真。因此，本研究在 Hertz Mindlin 模型基础上，选用 Hertz Mindlin with bonding 模型，利用 EDEM 快速填充 API进行颗粒排列填充(图 8)，导出网格文件 msh。接着导入颗粒工厂模板，将准备好的颗粒工厂模板 API 放到 EDEM 颗粒工厂导入路径，将前面导出的 point txt 里的网格坐标数据复制并替换到颗粒工厂模板文件下的 Block_Factory_Data txt 中。将颗粒材料参数、几何体材料参数、接触参数以及颗粒002江苏农业科学2023 年第 51 卷第 4 期模型设置完成，导入使用 UG 建立好并导出的剪切模型，在 Geometries 下拉菜单的 Plugin Factories 下添加自定义颗粒工厂，选择准备好的 API 文件，设置完毕进入计算页面，设置好参数，颗粒会在 0 01 s填充完成(图 9)。最后如图 10 所示为种茎离散元颗粒模型，模型由 15 000 个半径1 mm 颗粒等间距黏结而成。随后删除圆柱体实体模型，将黏结颗粒漏出，设置刀具运动参数，运动速度设置 1 mm/s。黏结参数参考藤茎类仿真参数，取值范围见表 3。表 3仿真参数参数数值法向接触刚度 x7(1010N/m)1 25切向接触刚度 x8(1010N/m)1 2临界法向应力 x9(107Pa)2 6临界切向应力 x10(107Pa)2 61 3种茎参数标定试验1 3 1针对堆积角仿真参数标定试验设计(1)设计二因子试验，筛选对茎秆颗粒堆积角影响显著的参数;(2)设计最陡爬坡试验;(3)设计基本接触参数响应曲面试验，并基于以上试验结果，根据BBD 设计原理，进行堆积角仿真试验。1 3 2针对种茎剪切仿真参数标定试验设计根据 CCD 设计原理，利用表 3 参数设计响应曲面试验，开展种茎切断破坏仿真分析，黏结参数设定见表 4。表 4黏结模型参数编码编码黏结模型参数x7(1010N/m)x8(1010N/m)x9(107Pa)x10(107Pa)1 546059072709070 9071100100020002 0000175150040004 0001250200060006 00015462 91227370937 0932结果与分析2 1因子试验以 x1 x6作为因素，开展因子试验，试验设计及结果见表 5。表 5试验设计与结果序号x1x2x3x4x5x6堆积角()1010 2008010700827592070 2008070100215733070 2002070700823344070 8002010100823955010 2008070700228596070 8008070700837857010 8002010700832358070 2002010700221749010 20020101002254110070 20080101008209311010 80080701008296812070 80080107002409713070 80020701002156914010 20020701008197315010 80080101002296516010 800207070023247方差分析见表 6，种茎间静摩擦系数 x2、种茎间滚动摩擦系数 x3和种茎与钢之间静摩擦系数 x5对堆积角的影响较