蚕豆种子离散元模型仿真参数标定_王月华.pdf

引用本文格式王月华，贺俊林，杨虎虎，等蚕豆种子离散元模型仿真参数标定 J农业工程，2023，13（1）：79-84 DOI：10.19998/ki.2095-1795.2023.01.015 WANG Yuehua，HE Junlin，YANG Huhu，et alSimulation parameter calibration of broad bean seed discrete element modelJAgriculturalEngineering，2023，13（1）：79-84蚕豆种子离散元模型仿真参数标定王月华，贺俊林，杨虎虎，郭彦汐，卢家宣（山西农业大学农业工程学院，山西 晋中 030801）摘要：为确定蚕豆种子离散元模型仿真参数，采用基本球单元组合方法建立蚕豆种子离散元模型。通过物理试验测定蚕豆种子与钢板间接触参数，在 EDEM 软件中对蚕豆种子离散元仿真参数进行标定，得到蚕豆种子与钢板间碰撞恢复系数为 0.46、静摩擦系数为 0.437 和滚动摩擦系数为 0.053。以种间接触参数为因素，以实测堆积角与仿真堆积角相对误差为指标，进行最陡爬坡试验、3 因素二次正交旋转组合设计试验，得到蚕豆种间碰撞恢复系数为 0.25、静摩擦系数为 0.53和滚动摩擦系数为 0.083。利用最佳参数组合进行仿真试验，蚕豆种子堆积角实测值与仿真值的相对误差为 1.1%。结果表明，标定的仿真接触参数可用于蚕豆种子颗粒的离散元仿真。关键词：蚕豆种子；离散元模型；仿真参数标定；堆积角中图分类号：S225文献标识码：A文章编号：2095-1795（2023）01-0079-06DOI：10.19998/ki.2095-1795.2023.01.015Simulation Parameter Calibration of Broad Bean Seed Discrete Element ModelWANG Yuehua，HE Junlin，YANG Huhu，GUO Yanxi，LU Jiaxuan（College of Agricultural Engineering，Shanxi Agricultural University，Jinzhong Shanxi 030801，China）Abstract：In order to determine simulation parameters of discrete element model of broad bean seeds，discrete element model of broadbean seeds was established by using basic ball element combination methodContact parameters between broad bean seeds and steel platewere measured by physical testDiscrete element simulation parameters of broad bean seeds were calibrated in EDEM softwareCollision recovery coefficient between broad bean seeds and steel plate was 0.46，static friction coefficient was 0.437，and rollingfriction coefficient was 0.053Taking interspecies contact parameters as factors，relative error between measured accumulation angleand simulated accumulation angle as index，steepest climbing test and three-factor quadratic orthogonal rotation combination design testwere carried out Collision recovery coefficient of broad bean was 0.25，static friction coefficient was 0.53，and rolling frictioncoefficient was 0.083Simulation test was carried out by using the best parameter combination，and relative error between measuredvalue and simulated value of seed accumulation angle of broad bean was 1.1%Results showed that calibrated contact parameters couldbe used for discrete element simulation of broad bean seedsKeywords：broad bean seeds，discrete element model，simulation parameter calibration，stacking angle0引言我国是世界食用蚕豆生产大国1。蚕豆是中国目前种植面积最大、总产量最多的食用豆类作物，其种植规模和年度产量也均居世界第 1 位2-3。近年来，EDEM-FLUENT 气固耦合仿真方法被广泛应用于精密排种器研究中，在利用气固耦合仿真法对精密排种器进行仿真研究时，需定义仿真模型的接触参数，而接触参数难以通过物理试验获得，因此有必要对其接触参数进行标定。目前，国内外学者已对绿豆、玉米、小麦、大豆、大蒜和钙果等农业物料的离散元仿真参数进行了标定，但对蚕豆种子离散元仿真参数的标定鲜有报道4-9。以羊眼蚕豆为研究对象，采用基本球单元组合方法建立蚕豆种子离散元仿真模型。应用 EDEM 软件对蚕豆种子与钢板（Q235 钢）之间的接触参数进行标定。进行收稿日期：2022-09-29修回日期：2022-11-14基金项目：山西农业大学科技创新基金项目（Zdpy201802）；山西农业大学科技创新基金项目（Zdpy201906）作者简介：王月华，硕士生，主要从事旱作农业机械化关键技术与装备研究E-mail：wyh_贺俊林，通信作者，教授，博士生导师，主要从事旱作农业机械化关键技术与装备研究E-mail：第 13 卷 第 1 期农业工程Vol.13No.12023 年 1 月AGRICULTURAL ENGINEERINGJan.2023实际堆积角试验，通过最陡爬坡试验、二次正交旋转组合设计试验，获得蚕豆种间接触参数最佳组合，为蚕豆等其他颗粒物料离散元仿真提供参考。1模型建立 1.1蚕豆种子模型随机选取无损伤、无霉变羊眼蚕豆种子 300 颗，通过游标卡尺进行三轴尺寸测定，经测定蚕豆种子长度 L 均值 14.52 mm、宽度 W 均值 11.33 mm 及厚度 T均值 7.80 mm。采用排水法测得蚕豆种子密度均值1 215 kg/m3。依据蚕豆种子的三轴尺寸在 Solidworks 软件中建立蚕豆种子的三维模型，然后导入 EDEM 软件，采用基本球单元组合方法建立蚕豆种子离散元仿真模型，使用 19 个不同半径的球形颗粒填充直至接近于实物，蚕豆种子颗粒及离散元模型如图 1所示。图 1蚕豆种子颗粒及离散元模型Fig.1 Broad bean seed particle and discrete element model 1.2仿真接触模型物理试验中蚕豆种子与钢板表面光滑且几乎无黏附力，因此 EDEM 仿真选用 Hertz-Mindlin 无滑移接触模型。EDEM 仿真试验中蚕豆种子与钢板的本征参数通过试验和查阅文献获得，如表 1 所示10-11。表 1蚕豆种子、钢板本征参数Tab.1 Broad bean seeds and steel intrinsic parameters材料泊松比剪切模量/MPa密度/（kgm3）蚕豆种子0.35 39.111 215钢板0.30700.007 800 2接触参数标定 2.1蚕豆种子与钢板间接触参数标定 2.1.1碰撞恢复系数碰撞恢复系数是反映两物体碰撞后，恢复到原来形状能力的参数。碰撞恢复系数的标定采用自由跌落试验法，如图 2 所示，蚕豆种子从固定高度 H=340 mm处自由下落，与水平放置的钢板碰撞后弹起，试验过程使用荣耀 50 手机（60 帧/s）进行视频录制，试验结束使用电脑对录像视频进行处理，并对蚕豆种子自由跌落后弹起最大高度 h 进行标注，重复试验 10 次，求得 蚕 豆 种 子 与 钢 板 碰 撞 后 弹 起 最 大 高 度 均 值为71.32 mm，碰撞恢复系数 x1为 0.45812。图 2碰撞恢复系数标定Fig.2 Collision recovery coefficient calibration EDEM 仿真试验中，为避免其余参数干扰，把除碰撞恢复系数以外的接触参数设为 0。经大量前期仿真工作，测得蚕豆种子与钢板间碰撞恢复系数范围 0.10.6，取步长 0.1，重复试验 10 次取均值。将试验结果进行曲线拟合如图 3 所示。图 3碰撞恢复系数与弹起最大高度拟合曲线Fig.3 Fitting curve of collision recovery coefficient and maximumbounce height 拟合方程为h=6.44120.576x1+355.554x21（R2=0.99）（1）将物理试验蚕豆种子与钢板碰撞弹起最大高度均值 71.32 mm 代入式（1），求得 x1=0.46，再次进行仿真试验，重复 10 次求均值，仿真弹起最大高度与实测 80 农业工程设计制造与理论研究 弹起最大高度相对误差为 3.88%，因此将碰撞恢复系数定为 0.46。2.1.2静摩擦系数采用斜面滑动法对蚕豆种子与钢板间静摩擦系数进行标定，如图 4 所示，缓慢提升钢板一端，待蚕豆种子开始向下滑动时停止，读取量角器上的夹角，静摩擦系数 x2=tan，重复试验 10 次，求得钢板倾斜角均值为 24.56，静摩擦系数为 0.457。图 4静摩擦系数标定Fig.4 Static friction coefficient calibration仿真试验时将蚕豆种子与钢板间碰撞恢复系数设为 0.46，其他接触参数设为 0。经大量前期仿真工作，测得蚕豆种子与钢板间静摩擦系数范围 0.350.63，取步长 0.04，重复试验 10 次取均值。将试验结果进行曲线拟合如图 5 所示。拟合方程为a=2.589+62.2x2（R2=0.99）（2）将物理试验中倾斜角均值 24.56代入式（2），求得 x2=0.437，再次进行仿真试验，重复 10 次求均值，仿真倾斜角与实测倾斜角相对误差为 3.12%，因此将静摩擦系数定为 0.437。2.1.3滚动摩擦系数蚕豆种子与钢板间滚动摩擦系数标定采用斜面法，如图 6 所示。将蚕豆种子放在倾斜角为 的钢板上，经大量预试验，选取=30，将种子从固定位置 S=50 mm处以初速度 0 释放，种子完全静止时在水平面的滚动距离为 L。假设种子在滚动过程中只受滚动摩擦力影响，滚动摩擦系数 x3按式（3）计算。mgSsin=mg（Scos+L）x3（3）重复试验 10 次，求得蚕豆种子在水平面滚动距离均值为 387.7 mm，滚动摩擦系数为 0.058。图 6滚动摩擦系数标定Fig.6 Rolling friction coefficient calibration仿真试验时将蚕豆种子与钢板的碰撞恢复系数设为 0.46，静摩擦系数设为 0.437，其他接触参数设为 0，经大量前期仿真工作，求得蚕豆种子与