王福林，尚家杰，劉宏新，郭麗峰

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030）

傳統(tǒng)研究排種器方法主要是基于理論分析加試驗研究。由于農(nóng)業(yè)物料的離散特點，顆粒與顆粒及顆粒與排種器殼體間力的作用無法精確計算，理論分析時需要大量簡化與假設(shè)[1-2]，導(dǎo)致精密排種的相關(guān)理論至今尚不成熟。同時，試驗研究方法周期長、成本高。

隨著計算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展，數(shù)值模擬方法以其快速、低成本、操作性好等優(yōu)點，在排種機(jī)構(gòu)中廣泛研究[3]。孫裕晶等采用CAD邊界模型離散元設(shè)計分析方法，驗證離散元分析方法的可行性[4]；劉振宇將CAD軟件與離散元分析軟件進(jìn)行集成，通過計算結(jié)果與仿真結(jié)果對比，證明分析系統(tǒng)的可用性[5]，但未實現(xiàn)單籽粒跟蹤與三維動態(tài)仿真及工作時力及速度對仿真效果的影響；許志寶建立分析大豆三維球體離散元模型[6]，但在接觸力計算中，有些參數(shù)需進(jìn)一步研究，同時，圓形散體顆粒采用線性粘彈性力學(xué)模型是否與實際接近有待證實。

英國DEM-Solution公司的EDEM軟件是世界上第一款基于高級離散元方法的通用仿真分析軟件。其最初主要應(yīng)用于分析巖石力學(xué)問題，可以模擬諸多類型礦山設(shè)備的工作過程，幫助優(yōu)化相關(guān)工藝及設(shè)備的性能，其應(yīng)用已逐漸擴(kuò)展到航空航天、能源化工、制藥等領(lǐng)域。鑒于EDEM采用機(jī)械力學(xué)、熱分析學(xué)、流體動力學(xué)等多學(xué)科合的求解方式，通過添加力學(xué)性質(zhì)、物料性質(zhì)和其他物理性質(zhì)建立顆粒模型，同時充分考慮顆粒與顆粒、顆粒與機(jī)構(gòu)壁面之間碰撞恢復(fù)、摩擦等實際因素，解決了顆粒體之間以及顆粒與機(jī)構(gòu)壁面之間力無法計算的問題，因此將EDEM顆粒體仿真技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)物料研究具有技術(shù)上的可行性，本文以大豆排種機(jī)構(gòu)為例進(jìn)行分析和探討。

1 EDEM仿真求解流程Fig.1 EDEM simulation solving route

1 EDEM仿真流程

EDEM仿真求解流程如圖1所示。

圖2 顆粒體模型Fig.2 Particle model

首先，EDEM通過Creator前處理器模塊進(jìn)行建模，需進(jìn)行兩個操作：①定義顆粒：通過添加力學(xué)性質(zhì)、物料性質(zhì)和其他物理性質(zhì)來建立顆粒模型，其模型可以是任意形狀，也可通過導(dǎo)入顆粒的CAD模型。②定義顆粒所在環(huán)境：創(chuàng)建或?qū)霗C(jī)械幾何的CAD模型、定義幾何的動力學(xué)性質(zhì)、用Particle Factory工具定義顆粒的生成工廠等，其中機(jī)械形狀可以作為固體模型或表面網(wǎng)格從CAD或CAE軟件中導(dǎo)入。再次，利用Simulator求解器模塊進(jìn)行計算，它可以實現(xiàn)動態(tài)模擬，不僅能夠快速、有效地監(jiān)測離散顆粒間的碰撞，還能夠選用動態(tài)時間步長。最后，通過Analyst后處理器模塊進(jìn)行分析，在此模塊中可進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，可以詳細(xì)地研究3D視頻動畫及剖面圖、生成初始數(shù)據(jù)及用戶自定義參數(shù)數(shù)據(jù)的圖表、瞬態(tài)分析、基于粒子群的空間分析、顆粒跟蹤及接觸等模型結(jié)果。

2 前處理器設(shè)置

2.1 設(shè)置全局變量

其中顆粒-顆粒，顆粒-壁面受力計算采用Hertz模型，因該模型利用兩物體間相對位置與它們各自受力處曲率半徑進(jìn)行對比，計算法向和切向受力，能夠較好反映硬質(zhì)剛性物體間的力學(xué)行為特點。其余參數(shù)設(shè)置如大豆顆粒屬性、壁面屬性及它們之間相互作用屬性設(shè)置如表1所示。

表1 全局變量參數(shù)設(shè)置[7]Table 1 Pre-treatment parameters setting

2.2 定義顆粒模型

為能夠更加真實準(zhǔn)確地模擬排種器的運(yùn)動情況，本文大豆顆粒不是簡單地采用球體來替代而是采用四面構(gòu)型方法創(chuàng)建使之成為橢球體顆粒模型，如圖2所示，其中各面坐標(biāo)設(shè)置如表2所示。材料選取為全局變量中所設(shè)置的大豆顆粒并自動獲取其余屬性。

表2 顆粒體參數(shù)設(shè)置[7]Table 2 Particles parameters setting

2.3 定義幾何體

排種器CAD模型如圖3所示，該排種器是2B-JP-FL01精密排種器[8-9]的雙行形式。幾何模型通過CATIA創(chuàng)建而成并導(dǎo)入到EDEM中。為能夠方便、快速、有效設(shè)定動力學(xué)特性，對該幾何模型的機(jī)械組成進(jìn)行集成，使其分為轉(zhuǎn)動件和固定件兩大部分，其中4、7、9集成為轉(zhuǎn)動件，其余零件集成為固定件。

轉(zhuǎn)動件轉(zhuǎn)動角速度計算如式（1）所示。

式中，V-機(jī)器前進(jìn)速度（km·h-1）；N-排種器容腔數(shù)；Mk-排種器型孔數(shù)；L-理論株距（cm）。

選擇機(jī)器前進(jìn)速度V=8 km·h-1，理論株距L=10 cm，排種器容腔個數(shù)N=4個，型孔個數(shù)Mk=34個。由公式（1）計算得ω=58.82 deg·s-1。

為使排種器模擬工作前充種完畢并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，通常設(shè)定轉(zhuǎn)動開始時間為1 s，為防止計算時間過長，轉(zhuǎn)動結(jié)束時間設(shè)定為15 s。

創(chuàng)建虛擬工廠即顆粒生成區(qū)域。虛擬工廠大小為排種器容腔上部截面面積大小，其形狀為四邊形，設(shè)定虛擬平面中心坐標(biāo)為（259，0，125），長邊尺寸為200 mm，短邊為24 mm。

圖3 四腔雙行立式復(fù)合圓盤排種器裝配圖Fig.3 Four cavity double linevertical composite plate seed-metering deviceassembly

2.4 定義顆粒工廠

設(shè)定顆粒工廠為動態(tài)生成方式。顆粒數(shù)量設(shè)置需綜合考慮幾何模型容腔大小、半腔充種要求以及顆粒生成速度，本研究中設(shè)定產(chǎn)生顆?？倲?shù)為3 200個，產(chǎn)生速率為10 000個·秒-1，顆粒直徑大小服從正態(tài)分布方式。同時，為防止一直停留在顆粒生成過程中，無法進(jìn)入工作仿真過程，因此設(shè)定放置顆粒的最大嘗試次數(shù)為20次。

3 計算與結(jié)果分析

EDEM通過Simulator模塊進(jìn)行離散元數(shù)值模擬，是通過循環(huán)計算方法，跟蹤計算顆粒的移動狀況。其中每一次循環(huán)包括兩個計算步驟。首先，創(chuàng)建新顆粒，由作用力、反作用力原理和相鄰顆粒間的接觸本構(gòu)關(guān)系，確定顆粒間的接觸作用力和相對位移。其次，添加由牛頓第二定律確定的相對位移在相鄰顆粒間產(chǎn)生的新不平衡力，更新顆粒體的位置，直至要求的循環(huán)次數(shù)或顆粒移動趨于穩(wěn)定或顆粒受力趨于平衡為止。其中計算時間的長度可以根據(jù)需要自行設(shè)定，具體計算循環(huán)過程如圖4所示。

在仿真過程中，為防止由于時間步長過大而導(dǎo)致發(fā)散問題，通常設(shè)置固定時間步長為Rayleigh時間步長的20%，仿真時間與幾何體轉(zhuǎn)動部件結(jié)束時間相同即為15 s，數(shù)據(jù)保存時間為每5次迭代保存一次。同時為了減少仿真運(yùn)行時間，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為最小顆粒尺寸的2倍。

圖4 EDEM計算模擬循環(huán)Fig.4 EDEM simulation cyclic

通過EDEM可以得出如下數(shù)據(jù)：與機(jī)構(gòu)表面相互作用的顆粒集合內(nèi)部行為，系統(tǒng)組分間碰撞的強(qiáng)度、頻率和分布，每個顆粒的速度、位置和一個顆粒集合中顆粒碰撞、磨損、聚合和松解相關(guān)的能量，亞顆粒結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)完整性和力鏈。同時，可以由仿真計算得到的數(shù)據(jù)繪制各種形式圖表（其中有直方圖、折線圖、散點圖、餅狀圖），還可以將某一時刻的模型狀態(tài)以全彩圖像導(dǎo)出，可對數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分析[10]。顆粒元素的結(jié)果輸出屬性可以分為定量和定性兩部分，其具體輸出屬性見圖5所示。

以生成顆粒質(zhì)量-數(shù)量直方圖為例進(jìn)行分析。首先將窗口切換到圖表繪制模式，選擇圖形類型為直方圖，元素為全部顆粒，然后設(shè)定X軸屬性為質(zhì)量，Y軸屬性為顆粒數(shù)量，最后選擇創(chuàng)建圖表命令進(jìn)行創(chuàng)建。其圖形如圖6所示，從圖中可以看出，不同質(zhì)量的顆粒數(shù)量服從正態(tài)分布亦即顆粒直徑大小服從正態(tài)分布，因此顆粒直徑大小符合常規(guī)試驗要求。

排種器工作仿真如圖7所示。可見，其仿真效果與臺架試驗效果相符[11]，圖中左側(cè)所示顏色條為速度標(biāo)尺，即顆粒在不同速度下呈現(xiàn)不同顏色，高速顆粒顯示為速度標(biāo)尺上部顏色，反之，低速顆粒顯示為下部顏色。不僅可觀察到大豆在排種器內(nèi)充種、護(hù)種、清種、排種等運(yùn)動過程，還可觀測到漏種、重播等情況。

圖5 EDEM顆粒元素輸出屬性Fig.5 EDEM particles output attributes graph

圖6 EDEM生成顆粒質(zhì)量-數(shù)量分布Fig.6 EDEM generate number of particles-mass

圖7 排種器仿真Fig.7 Metering device simulation

4 結(jié)論

EDEM用于農(nóng)業(yè)物料的研究具有可行性，在準(zhǔn)確、有效引入機(jī)械3D模型、構(gòu)建顆粒體模型并賦予相關(guān)屬性基礎(chǔ)上，能直觀模擬機(jī)構(gòu)工作過程，并能獲得力、速度、質(zhì)量、動能等定性與定量數(shù)據(jù)，有利于機(jī)理研究，具有高效、便捷優(yōu)點，在農(nóng)業(yè)物料研究領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用空間。

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