PDF《机施有机肥散体颗粒离散元模型参数标定》

石林榕等[9] 标定了西北旱区农田土壤离散 元模型参数;

王宪良等[10] 标定了土壤颗粒间静摩擦系数 和滚动摩擦系数;

张锐等[11] 通过仿真标定,得出颗粒外 观形貌对颗粒间静摩擦系数影响较大的结论;

武涛等[12] 基于休止角试验标定了粘性土壤的离散元模型参数. 本文拟针对样品有机肥,应用 EDEM 软件,选择 Hertz-Mindlin with Johnson-Kendall-Roberts 凝聚力接 触模型,进行 Plackett-Burman Design、最陡爬坡试验和 Central Composite Design 等有机肥休止角仿真试验, 并结 合有机肥休止角物理试验对有机肥离散元模型参数进行 标定.以期获得较为准确的有机肥离散元模型参数,为 有机肥离散元模型参数的选取提供参考.同时,提供一 种通过测定易于测定的参数(休止角)来推导难以测定 的有机肥离散元模型参数的方法.

1 材料与方法 1.1 有机肥基本参数 本文所用有机肥为兰州花海镇紫龙珠葡萄合作社的 有机肥,由纯羊粪发酵得到.为满足施肥均匀性的要求, 对结块有机肥进行粉碎处理.有机肥的基本参数如表

1 所示. 1.2 试验方法 本文采用物理试验与仿真试验相结合的方法[13-14] 对有机肥离散元模型参数进行标定.首先进行物理试 验,采用圆筒提升的方法获得有机肥颗粒堆,并测量 有机肥实际休止角. 然后利用软件 EDEM2.6 进行仿真 农业工程学报(http://www.tcsae.org)

2018 年22 试验,先通过 Plackett-Burman Design 对有机肥离散元 模型参数进行筛选, 得到对休止角有显著影响的参数;

再通过最陡爬坡试验确定显著性参数的最优值区间, 通过 Central Composite Design 响应面分析方法建立并 优化有机肥休止角与显著性参数的回归模型,得到回 归方程, 以实际休止角为目标值对回归方程求解寻优, 得到显著性参数最优值.最后在标定的参数下进行仿 真试验,对比有机肥仿真休止角和实际休止角,验证 标定的有机肥离散元模型参数的准确性.不同的物料 对休止角有显著影响的离散元模型参数是有差异的, 先进行筛选可以针对有机肥的特性进行标定.与正交 试验相比,采用响应面分析方法建立的回归模型是连 续的,寻优得到的最优值更准确. 表1有机肥基本性质 Table

1 Basic properties of organic fertilizer 粒径分布 Size distribution/% [0.25,0.5] (0.5,1] (1,2] >

2 容重 Bulk density/ (g・cm-3 ) 密度 Density/ (g・cm-3 ) 含水率 Moisture /% 20.32 29.81 46.34 3.53 0.37 0.62 13.70 1.3 有机肥休止角物理试验 本文采用圆筒提升的方法进行试验[15] , 如图

1 所示. 试验时,首先使钢质圆筒(内径

40 mm、高80 mm)底 面与钢板(长400 mm、宽200 mm)接触,然后向钢质 圆筒内填充有机肥直至填满. 使用 REGER 万能试验机将 钢质圆筒以

20 mm/s 的速度向上提升,从而使有机肥形 成一个颗粒堆,最后使用三量 181-101 型数显倾角仪(分 辨率:0.05°,精度:±0.2°)测量有机肥休止角.该试验 重复

10 次,取平均值,最终得到有机肥实际休止角为 38.15°. 图1有机肥休止角物理试验 Fig.1 Physical test of organic fertilizer'

s angle of repose 1.4 仿真模型 1.4.1 接触模型 有机肥颗粒间受水分和化学物质的作用存在粘附现 象,普通的接触模型难以准确地模拟施肥机械作业过程 中有机肥的力学行为.本文选择 Hertz-Mindlin with Johnson-Kendall-Roberts 接触模型[16] ,该模型是一个凝 聚力接触模型,可以考虑在接触区域中范德华力的影响 和允许用户模拟强黏性的系统,如干燥的粉末或湿颗粒. 在这个模型中,切向弹性力、法向耗散力和切向耗散力 均与 Hertz-Mindlin(no slip)接触模型中的计算方法一致, 但JKR 法向弹性力的实现基于 Johson-Kendall-Roberts 理论,取决于重叠量、相互作用参数和表面能