摘要:針對預(yù)切種木薯種植機(jī)排種器排種仿真缺乏種莖離散元模型問題，通過Creo建立了木薯種莖的三維模型，根據(jù)三維模型在EDEM軟件中構(gòu)建木薯莖稈的離散元模型，通過物理試驗(yàn)測量了種莖的接觸參數(shù)，對測得的參數(shù)進(jìn)行EDEM軟件標(biāo)定，以堆積角度數(shù)作為評價(jià)指標(biāo)得到標(biāo)定的最佳結(jié)果，并對標(biāo)定的參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明:標(biāo)定的木薯種莖接觸參數(shù)結(jié)果和實(shí)際結(jié)果相差較小，所構(gòu)建的木薯種莖離散元模型能夠用于預(yù)切種木薯種植機(jī)排種仿真，可為排種器仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

　　關(guān)鍵詞:木薯種莖;離散元仿真;接觸參數(shù);仿真標(biāo)定;排種

　　0引言木薯是世界三大薯類之一，是重要的淀粉原料。現(xiàn)有的實(shí)時(shí)切種式種植機(jī)在作業(yè)過程中仍需要較多人力，無法大面積推廣應(yīng)用，種植方式仍以人工為主，勞動(dòng)強(qiáng)度大、種植效率低，嚴(yán)重制約了木薯的產(chǎn)業(yè)發(fā)展;而預(yù)切種木薯種植機(jī)可有效減小勞動(dòng)強(qiáng)度、更好地配合拖拉機(jī)作業(yè)實(shí)現(xiàn)機(jī)械化作業(yè)，成為目前木薯種植機(jī)研究的新方向。預(yù)切種式種植機(jī)的關(guān)鍵部件是排種器，因此采用先進(jìn)仿真技術(shù)對排種器進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)研究具有重要意義。

　　農(nóng)作物論文范例：不同食用木薯品種(系)薯片加工適宜性研究

　　近年來，離散元法在馬鈴薯、大豆、玉米等排種器設(shè)計(jì)上有較多應(yīng)用[1-3]，為使仿真計(jì)算更符合實(shí)際情況，對接觸參數(shù)的標(biāo)定是決定仿真結(jié)果的關(guān)鍵[4]。已有較多學(xué)者在農(nóng)業(yè)物料的仿真參數(shù)標(biāo)定上進(jìn)行研究:劉凡一[5]、劉磊[6]構(gòu)建了小麥植株離散元模型;于亞軍[7]、王云霞[3]等建立玉米種子離散元模型，標(biāo)定并驗(yàn)證仿真的接觸參數(shù);鹿方媛[8]等建立水稻芽種的離散元模型;劉文政[9]等在EDEM中建立微型馬鈴薯模型，標(biāo)定并驗(yàn)證了微型薯顆粒的仿真接觸參數(shù)。目前對木薯種莖的研究仍為空白，因此筆者建立了木薯種莖幾何模型，通過試驗(yàn)測量木薯種莖接觸參數(shù)，并在EDEM軟件中建立種莖離散元模型，對測量所得的 接觸參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定和驗(yàn)證。

　　1材料和方法

　　1.1木薯種莖本征參數(shù)測定

　　測定的木薯種莖為廣西壯族自治區(qū)亞熱帶作物研究所木薯研究所選育的GR911品種，所測量的全部木薯種莖均采自同一時(shí)期收獲的種莖。木薯種莖橫截面近似圓，表面分布有凸節(jié)。用游標(biāo)卡尺對50只木薯種莖測量上中下3個(gè)部分的直徑，參照農(nóng)藝要求取平均值24mm和長150mm建立木薯種莖的三維模型。同時(shí)，用天平和排水測體積法求得木薯種莖的密度為435kg/m3。

　　1.2木薯種莖接觸參數(shù)測量

　　接觸參數(shù)指滾動(dòng)摩擦因數(shù)和滑動(dòng)摩擦因數(shù)。滑動(dòng)摩擦因數(shù)包括木薯種莖與鋼板間的摩擦因數(shù)和木薯種莖間的滑動(dòng)摩擦因數(shù);滾動(dòng)摩擦因數(shù)由木薯種莖間的滾動(dòng)摩擦因數(shù)和木薯與鋼板間的滾動(dòng)摩擦因數(shù)組成。試驗(yàn)采用斜面滑動(dòng)法，被測量種莖恰好發(fā)生相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)時(shí)所對應(yīng)的角度的正切值極為木薯種莖不同接觸參數(shù)所對應(yīng)的值。

　　1.3碰撞恢復(fù)系數(shù)測量試驗(yàn)

　　1.3.1木薯莖稈-鋼板碰撞恢復(fù)系數(shù)的測量

　　試驗(yàn)時(shí)，木薯莖稈顆粒與鋼板碰撞后顆粒彈起的速度由木薯顆粒在碰撞過程中所受到的接觸力大小來決定。在不考慮阻尼的情況下，兩者之間的碰撞可視為彈性碰撞，且碰撞過程中沒有能量的損失[10]，即木薯顆粒的速度大小在與鋼板碰撞前后保持不變，但方向相反，所以恢復(fù)系數(shù)為1。但是，在實(shí)際碰撞過程中不可避免地會(huì)有能量的損失，接觸力中的阻尼部分也會(huì)消耗顆粒的動(dòng)能。

　　1.4堆積角測量試驗(yàn)

　　堆積角試驗(yàn)是離散元仿真過程中的關(guān)鍵一步，材料接觸參數(shù)的標(biāo)定很多都是通過堆積角試驗(yàn)完成的[14-15]，在此采用箱體抽板法對木薯種莖桿段在鋼制箱子中的堆積角進(jìn)行測量。試驗(yàn)選用的鋼制箱子容器的長寬高分別為500mm×200mm×300mm，隔板采用邊長為300mm的正方形鋼板，截取長150mm的木薯莖稈段30根。將木薯莖稈段整齊碼放在鋼制箱子右側(cè)，用正方形鋼制隔板阻擋。試驗(yàn)開始時(shí)，雙手抓住鋼板并沿著箱子內(nèi)側(cè)垂直方向鋼制迅速抽出隔板，讓木薯莖稈段自由滾落形成堆積角。

　　2結(jié)果與分析

　　2.1物理試驗(yàn)結(jié)果

　　2.1.1木薯種莖物理參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

　　建立木薯種莖離散元仿真模型時(shí)需要對木薯材料的物理參數(shù)進(jìn)行測量，通過試驗(yàn)測量和文獻(xiàn)查閱，得出對木薯種莖稈段的物理參數(shù)。接觸參數(shù)對木薯種莖堆積角仿真結(jié)果準(zhǔn)確性的影響順序?yàn)槟臼砬o稈-莖稈恢復(fù)系數(shù)D、木薯莖稈-莖稈滑動(dòng)摩擦因數(shù)E、木薯莖稈-鋼板恢復(fù)因數(shù)A、木薯莖稈-鋼板滾動(dòng)摩擦系數(shù)C、木薯莖稈-鋼板滑動(dòng)摩擦系數(shù)B、木薯莖稈-鋼板恢復(fù)系數(shù)F。由K值得出最優(yōu)方案為D1E5A1C2B3F3，即與物理試驗(yàn)誤差最小的仿真參數(shù)值為:木薯種莖間碰撞恢復(fù)系數(shù)0.044，滑動(dòng)摩擦因數(shù)為0.612，滾動(dòng)摩擦因數(shù)為0.103;木薯種莖與鋼板的碰撞恢復(fù)系數(shù)為0.069，滾動(dòng)摩擦因數(shù)為0.090，滑動(dòng)摩擦因數(shù)為0.278。

　　3標(biāo)定結(jié)果驗(yàn)證

　　利用上述得出最優(yōu)方案，在EDEM中重新設(shè)置接觸參數(shù)和恢復(fù)系數(shù)，進(jìn)行堆積角仿真試驗(yàn)，比較此方法下標(biāo)定所得的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的偏差，以此驗(yàn)證木薯莖稈所形成的堆積角是否準(zhǔn)確。

　　4結(jié)論

　　1)以木薯種莖為研究對象，測量莖稈結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)，建立了木薯種莖的三維模型，根據(jù)三維模型在EDEM軟件中構(gòu)建木薯莖稈的離散元模型。

　　2)通過物理試驗(yàn)測得木薯種莖的接觸參數(shù):木薯種莖與鋼板之間的滑動(dòng)摩擦因數(shù)為0.4634，滾動(dòng)摩擦因數(shù)為0.2241，碰撞恢復(fù)系數(shù)為0.350;木薯種莖間的滑動(dòng)摩擦因數(shù)為0.6128，滾動(dòng)摩擦因數(shù)為0.1715，碰撞恢復(fù)系數(shù)為0.220。

　　3)對測得的參數(shù)進(jìn)行EDEM軟件標(biāo)定，運(yùn)用抽掉擋板監(jiān)測堆積角大小的方法，得到最優(yōu)的EDEM軟件接觸參數(shù)為:木薯種莖與鋼板間的滑動(dòng)摩擦因數(shù)為0.278，滾動(dòng)摩擦因數(shù)為0.090，碰撞恢復(fù)系數(shù)為0.069;木薯種莖間的滑動(dòng)摩擦因數(shù)為0.612，滾動(dòng)摩擦因數(shù)為0.103，碰撞恢復(fù)系數(shù)0.044。

　　參考文獻(xiàn):

　　[1]孫裕晶，馬成林，牛序堂，等.基于離散元的大豆精密排種過程分析與動(dòng)態(tài)模擬[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2006(11):45-48.

　　[2]牛康.馬鈴薯整薯精密播種關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京:中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，2017.

　　[3]王云霞，梁志杰，張東興，等.基于離散元的玉米種子顆粒模型種間接觸參數(shù)標(biāo)定[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32(22):36-42.

　　作者：楊佳敏，楊望，楊堅(jiān)