基于离散元法的稻麦周年地区土壤仿真物理参数标定

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第41卷第12期2020 12

中国农机化学报

JournalofCh-neseAgr-culturalMechan-zaton

Vol.41 No.12

Dec. 2020

DOI : 10.13733/j.j cam. issn.20 95 ^55 53.2020.12.025

基于离散元法的稻麦周年地区土壤仿真物理参数标定

刘宏俊,张文毅,纪要,祁兵,李坤

(农业农村部南京农业机械化研究所,南京市,210014)

摘要:为获得可用于稻麦周年地区土壤流动的离散元仿真模拟参数,该研究利用EDEM 中Herz-Mindlin with EEPA 接 触模型对稻麦周年地区黏重土壤进行相关参数标定,以土壤材料参数(土壤颗粒间静摩擦系数、恢复系数、动摩擦系数、土

壤剪切模量及土壤泊松比)和接触模型参数(黏附力强度、接触黏附能和接触塑性比)为标定对象,以室内试验及不同参数

组合下仿真得到的土壤休止角为响应值,基于响应面优化标定土壤离散元仿真参数。研究应用Plackett-Burman 试验对 8个初始参数进行筛选,发现土壤一土壤静摩擦系数、动摩擦系数以及接触黏附能对颗粒堆休止角影响显著。在通过最

陡爬坡试验确定显著性参数最优值区间的基础上,根据Box-Behnken 试验结果建立休止角与显著性参数的二阶回归模型

并对其进行优化,得到显著性参数的最佳组合为:土壤颗粒间静摩擦系数0发5、动摩擦系数0电3及接触黏附能3电8 J/m 2、

土壤剪切模量10 MPa 、土壤颗粒间恢复系数0电、土壤泊松比0电;黏附力强度一0电01 N 、接触塑性比0发。以最优水平组

合进行仿真验证试验,验证结果与室内测试结果进行对比验证,二者相对误差仅为1电%,标定所得的参数可为稻麦周年

地区作业条件下的农业机械触土部件设计与优化提供基础数据。

关键词:土壤;稻麦周年地区;离散元;休止角;物理参数

中图分类号:S152发 文献标识码:A 文章编号:2095-5553 (2020) 12-0153-07

刘宏俊,张文毅,纪要,祁兵,李坤•基于离散元法的稻麦周年地区土壤仿真物理参数标定中国农机化学报,2020, 41(12):153—159

L-u Hongjun $Zhang Weny-$J-Yao $Q-B-ng $L-Kun.Parametercalbratonofsolpart-cles-nannualr-ce-wheatreg-on

based on discrete element method [J *

. Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2020, 41(12): 153 — 159收稿日期:020年9月23日 修回日期:020年11月4日

*基金项目:国家重点研发计划(2018YFD0300805、2017YFD0700704)

第一作者:刘宏俊,男,1990年生,安徽阜阳人,助理研究员;研究方向为保护性耕作触土部件。E-mail : *********************

通讯作者:张文毅,男,1966年生,江苏南京人,研究员;研究方向为农作物种植技术装备。E-mail : ****************

0引言

随着颗粒接触模型更新和计算机处理性能提升, 颗粒动力学数值模拟在农业物料领域的应用越来越广 泛13*。农业物料多为散粒体,如作物种子、饲料及土

壤颗粒等4'为了研究散粒体的力学特性,研究者多 采用有限元仿真(FEM, Finite-element method)和离

散元仿真(DEM ,Discrete element method )57*。由于 离散元法研究颗粒之间及与边界间的相互作用,近几

年研究者发现离散元分析散粒体运动的多相、离散和 物性分散的动态变化过程比有限元法更合适89*。研

究颗粒流动特性,可以动态预测仓储内物料运动和触 土部件作用后土壤运动等实际工况。在对颗粒运动特 性离散元仿真前,需要对颗粒参数进行标定)0*,探究

不同的标定参数情况下,接触模型参数(切向刚度系 数、法向刚度系数及表面能等,不同的接触模型中参数 选择不同)和颗粒特性参数(静摩擦系数、动摩擦系数

及恢复系数等)对休止角的影响规律。

由于不同地区的气候和土壤特征不同,土壤的物

理参数和力学特性差别较大,研究者往往需要对当地

进 参数 , 适应 仿真研究。 李俊 伟等[11*选择JKR 接触模型来研究东北地区黏重黑土, 并对不同含水率情况下的相关参数进行标定。石林榕

等[12*选择HSCM 接触模型来研究西北旱区农田土壤 模型,并对该模型所需参数进行标定,以期为西北旱区

农田土壤离散元仿真参数标定提供参考。向伟等[13*

选择JKR 接触模型来研究西南地区黏土,采用响应曲 面试验对土壤仿真物理参数标定,以期构建中国南方

地区种植土壤黏壤土精准的离散元仿真模型。武涛 等[14]选择JKR 接触模型来研究华南地区黏重黑土,重 点对黏重土壤物理参数标定,为研究华南地区黏性土

壤与触土部件的关系提供物理数据。上述的研究多为

主要粮食作物产区的触土部件离散元仿真提供很好的

参考[1519],而关于长江中下游稻麦周年地区的土壤参

154中国农机化学报2020

数标定的研究鲜有报道。

选择EEPA(Edinburgh Elasto-plastic Adhesion Model)模型来研究长江稻麦匚地区的土壤,并对稻参数进行研究,采用Plackett-Burman试验研究各参数对休止角的影响显著性,并筛选出三组影响著的参数,采陡爬坡对三组参数进筛选,在上,采用Box-Behnken试验对三组参数进行系统化研究,建立参数与休止角之响应关系。过仿真与测进行校准,验证参数准$稻麦周

离散元仿真参数提供参考。

1稻麦周年地区土壤

1・1EEPA接触模型

稻麦江中下游,土壤类型为黏重土壤,作业时应力一应变关过非二

弹塑变和粘触模型EEPA仿真重现。EEPA 型对应颗粒力一位移关系,如图1所示。图1中局为加载过程的颗粒接触刚度系数%2为卸载和加载过程的颗粒接触刚度系数;九附力强度,其值为恒定值,不会随着重叠量的变化而变化%为颗粒叠量;6为颗粒间塑性变形量%讪粘力衰减刚度;/mn为颗粒间最大粘结力;R附分支曲线帚指数;/仆为颗粒间法向力;〃为非帚指数'

图1对应颗粒间在不同相互作用阶段对应的动力学方程

f=

hys

f+M1+&i k2(n-+p n)&k1+n

f+k2(n-+p n)if k+n>k2(&-+p n)#-k>h+R /0-k>h i-k>h+R>k2(+n-+p n)

1) k](2之间的关系能一定程度上反应颗粒之间的关系J关程

+p"=1-k1/k2(2) R,颗粒,与R j颗粒i之间的重叠量之间的关系,如图2所示>为有重叠情况下两个颗粒之间中,=为颗粒重叠焦点到之短距离。

Fig&2Amountofoverlaprelationshipbetweenparticles 由图2可得到参数之间的关系式

==丄槡4>R2—>-R j+r2)(3) 2d

与JKR接触理论相同,颗粒之间接触黏附能量&和颗粒重叠焦点到之短距离=\出颗粒大粘力f min$关式

EEPA接触模型的理论方程式(1)〜式(4)可以求出对土壤颗粒相互接触过程中颗粒间接触力及颗粒间粘结程度,由知EEPA接触模型适拟稻麦

关的离散元仿真。

1.模型

颗粒形状是影响离散元模型对真实状态预测的最关键参数而在研究与触土部件作用过程时,研究者多按照真实状颗粒状及形状分杂的离散颗粒模型。现有关于土参数文献中,多将颗粒简化成圆球1颗粒。为了协调仿真精度和仿真时间,国内外研究一般多采球形颗粒。故也将探索圆球颗粒。仿真和仿真时间与颗粒有关,故应颗粒在合理之内。图3为填实1000mm3立

崛16000

歸12000

8000

4000

,对应的颗粒半径与颗粒数量-

45

颗粒半径/mm

3

0,

图3模型10mm尺度半径与数量

Fig&3Soil particle radius model10mm scales

with the number of particles

由图3知$粒与数关$颗粒大于3mm以后,颗粒数量相对。

结合

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