木薯种茎参数测量及EDEM仿真参数标定

　　摘要:针对预切种木薯种植机排种器排种仿真缺乏种茎离散元模型问题，通过Creo建立了木薯种茎的三维模型，根据三维模型在EDEM软件中构建木薯茎秆的离散元模型，通过物理试验测量了种茎的接触参数，对测得的参数进行EDEM软件标定，以堆积角度数作为评价指标得到标定的最佳结果，并对标定的参数进行验证。结果表明:标定的木薯种茎接触参数结果和实际结果相差较小，所构建的木薯种茎离散元模型能够用于预切种木薯种植机排种仿真，可为排种器仿真优化设计提供参考。

　　关键词:木薯种茎;离散元仿真;接触参数;仿真标定;排种

　　0引言木薯是世界三大薯类之一，是重要的淀粉原料。现有的实时切种式种植机在作业过程中仍需要较多人力，无法大面积推广应用，种植方式仍以人工为主，劳动强度大、种植效率低，严重制约了木薯的产业发展;而预切种木薯种植机可有效减小劳动强度、更好地配合拖拉机作业实现机械化作业，成为目前木薯种植机研究的新方向。预切种式种植机的关键部件是排种器，因此采用先进仿真技术对排种器进行仿真设计研究具有重要意义。

　　农作物论文范例：不同食用木薯品种(系)薯片加工适宜性研究

　　近年来，离散元法在马铃薯、大豆、玉米等排种器设计上有较多应用[1-3]，为使仿真计算更符合实际情况，对接触参数的标定是决定仿真结果的关键[4]。已有较多学者在农业物料的仿真参数标定上进行研究:刘凡一[5]、刘磊[6]构建了小麦植株离散元模型;于亚军[7]、王云霞[3]等建立玉米种子离散元模型，标定并验证仿真的接触参数;鹿方媛[8]等建立水稻芽种的离散元模型;刘文政[9]等在EDEM中建立微型马铃薯模型，标定并验证了微型薯颗粒的仿真接触参数。目前对木薯种茎的研究仍为空白，因此笔者建立了木薯种茎几何模型，通过试验测量木薯种茎接触参数，并在EDEM软件中建立种茎离散元模型，对测量所得的 接触参数进行标定和验证。

　　1材料和方法

　　1.1木薯种茎本征参数测定

　　测定的木薯种茎为广西壮族自治区亚热带作物研究所木薯研究所选育的GR911品种，所测量的全部木薯种茎均采自同一时期收获的种茎。木薯种茎横截面近似圆，表面分布有凸节。用游标卡尺对50只木薯种茎测量上中下3个部分的直径，参照农艺要求取平均值24mm和长150mm建立木薯种茎的三维模型。同时，用天平和排水测体积法求得木薯种茎的密度为435kg/m3。

　　1.2木薯种茎接触参数测量

　　接触参数指滚动摩擦因数和滑动摩擦因数。滑动摩擦因数包括木薯种茎与钢板间的摩擦因数和木薯种茎间的滑动摩擦因数;滚动摩擦因数由木薯种茎间的滚动摩擦因数和木薯与钢板间的滚动摩擦因数组成。试验采用斜面滑动法，被测量种茎恰好发生相应的运动时所对应的角度的正切值极为木薯种茎不同接触参数所对应的值。

　　1.3碰撞恢复系数测量试验

　　1.3.1木薯茎秆-钢板碰撞恢复系数的测量

　　试验时，木薯茎秆颗粒与钢板碰撞后颗粒弹起的速度由木薯颗粒在碰撞过程中所受到的接触力大小来决定。在不考虑阻尼的情况下，两者之间的碰撞可视为弹性碰撞，且碰撞过程中没有能量的损失[10]，即木薯颗粒的速度大小在与钢板碰撞前后保持不变，但方向相反，所以恢复系数为1。但是，在实际碰撞过程中不可避免地会有能量的损失，接触力中的阻尼部分也会消耗颗粒的动能。

　　1.4堆积角测量试验

　　堆积角试验是离散元仿真过程中的关键一步，材料接触参数的标定很多都是通过堆积角试验完成的[14-15]，在此采用箱体抽板法对木薯种茎杆段在钢制箱子中的堆积角进行测量。试验选用的钢制箱子容器的长宽高分别为500mm×200mm×300mm，隔板采用边长为300mm的正方形钢板，截取长150mm的木薯茎秆段30根。将木薯茎秆段整齐码放在钢制箱子右侧，用正方形钢制隔板阻挡。试验开始时，双手抓住钢板并沿着箱子内侧垂直方向钢制迅速抽出隔板，让木薯茎秆段自由滚落形成堆积角。

　　2结果与分析

　　2.1物理试验结果

　　2.1.1木薯种茎物理参数试验结果

　　建立木薯种茎离散元仿真模型时需要对木薯材料的物理参数进行测量，通过试验测量和文献查阅，得出对木薯种茎秆段的物理参数。接触参数对木薯种茎堆积角仿真结果准确性的影响顺序为木薯茎秆-茎秆恢复系数D、木薯茎秆-茎秆滑动摩擦因数E、木薯茎秆-钢板恢复因数A、木薯茎秆-钢板滚动摩擦系数C、木薯茎秆-钢板滑动摩擦系数B、木薯茎秆-钢板恢复系数F。由K值得出最优方案为D1E5A1C2B3F3，即与物理试验误差最小的仿真参数值为:木薯种茎间碰撞恢复系数0.044，滑动摩擦因数为0.612，滚动摩擦因数为0.103;木薯种茎与钢板的碰撞恢复系数为0.069，滚动摩擦因数为0.090，滑动摩擦因数为0.278。

　　3标定结果验证

　　利用上述得出最优方案，在EDEM中重新设置接触参数和恢复系数，进行堆积角仿真试验，比较此方法下标定所得的结果与试验结果的偏差，以此验证木薯茎秆所形成的堆积角是否准确。

　　4结论

　　1)以木薯种茎为研究对象，测量茎秆结构的基本参数，建立了木薯种茎的三维模型，根据三维模型在EDEM软件中构建木薯茎秆的离散元模型。

　　2)通过物理试验测得木薯种茎的接触参数:木薯种茎与钢板之间的滑动摩擦因数为0.4634，滚动摩擦因数为0.2241，碰撞恢复系数为0.350;木薯种茎间的滑动摩擦因数为0.6128，滚动摩擦因数为0.1715，碰撞恢复系数为0.220。

　　3)对测得的参数进行EDEM软件标定，运用抽掉挡板监测堆积角大小的方法，得到最优的EDEM软件接触参数为:木薯种茎与钢板间的滑动摩擦因数为0.278，滚动摩擦因数为0.090，碰撞恢复系数为0.069;木薯种茎间的滑动摩擦因数为0.612，滚动摩擦因数为0.103，碰撞恢复系数0.044。

　　参考文献:

　　[1]孙裕晶，马成林，牛序堂，等.基于离散元的大豆精密排种过程分析与动态模拟[J].农业机械学报，2006(11):45-48.

　　[2]牛康.马铃薯整薯精密播种关键技术研究[D].北京:中国农业大学，2017.

　　[3]王云霞，梁志杰，张东兴，等.基于离散元的玉米种子颗粒模型种间接触参数标定[J].农业工程学报，2016，32(22):36-42.

　　作者：杨佳敏，杨望，杨坚