徐 慧, 唐火紅, 楊小東, 朱紅生

(合肥工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

氣吸式排種器吸附性能參數(shù)優(yōu)化與試驗

徐 慧, 唐火紅, 楊小東, 朱紅生

(合肥工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

氣吸式排種器的吸附性能是決定分子技術(shù)自動化育種設(shè)備能否順利排種的關(guān)鍵,文章利用ANSYS Workbench軟件對影響吸附性能的吸嘴孔徑、真空度、吸嘴錐角、種子與吸嘴距離等4個因素的敏感性和相互影響作用進行仿真優(yōu)化分析,根據(jù)仿真結(jié)果改進吸嘴吸附性能,并在試驗樣機上以黃豆為吸附對象對結(jié)果進行驗證。結(jié)果表明:吸嘴的吸附性能對種子與吸嘴的距離和吸嘴孔徑兩因素比較敏感,真空度、吸嘴傾角對吸附性能的影響次之;適當減小種子距吸嘴的距離,擴大吸孔半徑,減小出口壓強有利于提高吸嘴吸附性能。

吸嘴;氣吸式排種器;吸附性能;流固耦合仿真;多目標優(yōu)化;響應(yīng)面

0 引 言

分子技術(shù)自動化育種設(shè)備具有在不破壞發(fā)芽活力的情況下對種子進行快速取樣和基因型分析的優(yōu)點,極大地縮短了優(yōu)選時間,提高了育種質(zhì)量,其特點是采用機器人技術(shù)對種子進行送料、定位、分揀、存儲[1]。由于氣吸式排種器具有不傷種、通用性強、吸附率高等優(yōu)點[2-3],還可以提高后續(xù)種子微創(chuàng)取樣的準確性和DNA檢測的可靠性,被廣泛用于分子技術(shù)自動化育種設(shè)備。現(xiàn)有研究表明氣吸式排種器吸附性能由吸嘴形狀、孔徑、真空度以及吸嘴與種子距離等因素決定[4-6],但普遍只對單個影響因素進行探索,未能考慮各因素的綜合作用及其敏感性,且單憑吸嘴處氣流的流速不能準確判斷種子的受力情況,故得到的結(jié)果具有一定的局限性。

ANSYS Workbench中的Design Explorer模塊具有多目標優(yōu)化功能,可以同時對多個影響因素進行分析。因此本文利用CFX模塊進行流固耦合數(shù)值分析,采用Design Explorer中的響應(yīng)面技術(shù)和試驗數(shù)據(jù)(design of experinent,DOE)法,以黃豆為吸附對象,將吸嘴孔徑、真空度、吸嘴錐角、種子與吸嘴距離4個因素作為輸入變量,種子模型的受力作為輸出變量進行優(yōu)化分析,對各因素的敏感性和相互影響作用進行研究;根據(jù)研究結(jié)果改進各參數(shù)尺寸來提高吸附性能,并將優(yōu)化結(jié)果在試驗樣機上進行測試,通過比較改進后的氣吸式排種器的吸種率明顯提高,驗證了仿真結(jié)果的可行性和正確性。

1 優(yōu)化分析方法

1.1 理論分析模型

響應(yīng)面設(shè)計方法需要建立響應(yīng)變量Y與各自變量之間的回歸方程,即

其中,ζk為自變量。

根據(jù)次數(shù)不同回歸方程具有不同的形式,一般取二次回歸形式,即

其中,i≤j;Xi、Xj為自變量;βi、βii、βij為回歸系數(shù);β0為回歸截距;ε為正態(tài)隨機誤差。

獨立變量Xi有如下形式:

其中,ζi為實際值;ζ*為平均值;ds為步長。

1.2 擬合度檢驗方法

在Workbench中可以查看響應(yīng)面設(shè)計結(jié)果與DOE結(jié)果的擬合度,以下為常用擬合度指標。

(1) 決定系數(shù)。決定系數(shù)R2為:

決定系數(shù)的大小決定了相關(guān)性的密切程度,當R2越接近1時,表示回歸方程式參考價值越高;相反,越接近0時,表示參考價值越低。

(2) 均方根誤差。均方根誤差Erms為:

均方根誤差對分析結(jié)果中的特大或特小誤差反映非常敏感,能夠很好地反映出DOE試驗結(jié)果的精密度,最佳值為0,當結(jié)果越接近于0表明響應(yīng)面的質(zhì)量越高。

2 有限元模型的建立和計算

2.1 有限元模型的建立

氣吸式排種器的吸嘴是種子吸附的執(zhí)行部件,料倉中不斷跳動的種子靠近吸嘴會被吸附。影響吸嘴吸附性能的因素如圖1所示。圖1中,di為吸孔直徑;α為吸嘴傾角;x為種子重心距吸嘴的距離;p0為大氣壓強;pi為吸嘴出口壓強,則設(shè)負壓p=p0-pi。吸嘴入口為大氣壓恒定不變,則真空度可用出口壓強pi表示,同時為便于數(shù)值分析參數(shù)設(shè)置,以下分析用出口壓強pi代替負壓p,用吸孔半徑ri代替直徑di進行計算。則吸附性能的4個影響參數(shù)分別為吸孔半徑ri、吸嘴傾角α、種子距離x、出口壓強pi。

圖1 吸嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)分布

根據(jù)以上分析,取種子距離為5 mm,出口壓強為80 kPa,吸嘴傾角為45°,吸孔半徑為2 mm建立流體域有限元模型,在吸嘴入口處取直徑7.1 mm建立種子球體模型。建模時以吸嘴入口方向為Y軸正方向,則種子受到氣流作用力朝向吸嘴出口方向即種子受力為負。

為保證計算精度和節(jié)約優(yōu)化時間,采用自動網(wǎng)格劃分,其中，流體域生成節(jié)點為15 417個,單元為81 589個;種子模型節(jié)點為281個,單元為1 164個。共15 698個節(jié)點和82 753個單元。

在CFX模塊的參數(shù)設(shè)置中,因為流體域的截面發(fā)生變化,所以流場處于湍流狀態(tài),需要選擇相應(yīng)的湍流模型。該湍流模型的適用范圍廣、精度合理[10],故采用k-Epsilon兩方程湍流模型,且壁面采用無滑移、無滲透的絕熱邊界。

2.2 優(yōu)化參數(shù)設(shè)置

在Design Exploration模塊的多目標優(yōu)化技術(shù)是根據(jù)參數(shù)設(shè)計區(qū)間采集設(shè)計點,計算每個設(shè)計點的響應(yīng)結(jié)果,并利用插值函數(shù)構(gòu)造設(shè)計空間的響應(yīng)曲面或響應(yīng)曲線[11]。相比于其他響應(yīng)面設(shè)計方法中，中心組合設(shè)計(central composite design,CCD)法具有擬合度好,對實驗組合數(shù)目要求較少且簡便快捷的特點,選擇CCD為響應(yīng)面設(shè)計方法,設(shè)計類型選擇旋轉(zhuǎn)式。最終生成的試驗參數(shù)組合共有25組。

3 結(jié)果分析與討論

決定系數(shù)和均方根誤差是檢驗響應(yīng)面擬合度的重要參數(shù)。把響應(yīng)面類型設(shè)置為非參數(shù)回歸,計算結(jié)果中決定系數(shù)為1,均方根誤差為6.2×10-11,設(shè)計點與響應(yīng)面的擬合關(guān)系如圖2所示,可見響應(yīng)面與各設(shè)計點的擬合度很高。

圖2 設(shè)計點與響應(yīng)面擬合曲線

3.1 敏感性分析

以吸嘴孔徑、真空度、吸嘴錐角、種子距離4個因素為輸入變量,種子Z軸方向受力為輸出變量,通過計算得到的各因素敏感性關(guān)系如圖3所示。

因為種子Z軸方向受力結(jié)果為負值,所以通過敏感性分析可知種子受力的絕對值,即對種子距離的敏感性最高且為負相關(guān),達到0.6;其次是對吸孔半徑的敏感性較高且為正相關(guān),達到0.35;敏感性較小的是出口壓強和吸嘴傾角,其中出口壓強為負相關(guān)且敏感性為0.16,吸嘴傾角為正相關(guān)且敏感性為0.17。

圖3 各因素敏感性關(guān)系

根據(jù)分析結(jié)果,在吸嘴的設(shè)計中應(yīng)主要考慮種子距離和吸孔半徑2個因素,可以適當減小種子距吸嘴的距離并擴大吸孔半徑,其次考慮減小出口壓強和增大吸嘴傾角。但種子與吸嘴的距離不能過小,數(shù)值分析只是對單個種子進行研究,未考慮其他跳動種子對吸附種子的碰撞影響,若距離過小則會影響吸種率，吸種孔徑不能大于種子直徑。

3.2 響應(yīng)面分析

響應(yīng)面設(shè)計方法比其他方法在觀察輸入?yún)?shù)的影響方面具有簡便、快捷有效的優(yōu)點[4]。4個輸入變量對種子受力產(chǎn)生影響的同時又相互影響,因此有必要分析種子受力與各個輸入變量的三維響應(yīng)面結(jié)果。保持2個輸入變量為模型建立時的數(shù)值,另2個輸入變量相對于種子受力的三維響應(yīng)面如圖4所示。

由圖4可以看出,4個輸入變量對種子受力數(shù)值的影響一般為單向遞增或是遞減。由圖4c可以看出,種子受力變化區(qū)間為-0.025～0,相比于圖4d的區(qū)間-0.03～0變化較小,由圖4a、圖4b、圖4e、圖4f可以看出，種子距離、吸孔半徑與吸嘴傾角、出口壓強相比較時影響更為明顯。說明在其余參數(shù)不變的情況下,種子距離和吸孔半徑2個變量的影響大于吸嘴傾角和出口壓強2個變量的影響。

圖4 種子受力分析結(jié)果

基于以上分析可以得出如下結(jié)論:在不影響取種的前提下種子距離應(yīng)盡量減小;吸孔半徑應(yīng)取較大值,但不能大于種子直徑;出口壓強應(yīng)盡量減小,但由于壅塞效應(yīng)的存在不能低于53 kPa[12];吸嘴傾角幾乎無影響,可以根據(jù)吸附要求設(shè)定,根據(jù)現(xiàn)有研究以45°為宜。

4 樣機試驗

試驗所用的設(shè)備如圖5所示。

根據(jù)以上分析研究,種子距離和吸孔半徑2個變量對吸種性能的影響較大,分別設(shè)置距離為3、4、5、6、7 mm,吸嘴孔徑分別取3.0、3.5、4.0、4.5 、5.0 mm,出口壓強為80 kPa,吸嘴傾角為45°,實驗結(jié)果統(tǒng)計曲線如圖6所示。

圖5 氣吸式排種器吸種性能檢測試驗臺

圖6 吸種率隨吸嘴孔徑以及吸嘴與種子距離變化曲線

樣機實驗表明，吸嘴孔徑以及吸嘴與種子的距離對吸種率影響明顯,且在吸嘴孔徑為4.5mm,吸嘴與種子距離為5mm時吸種率達到最大值。

5 結(jié) 論

本文利用ANSYSWorkbench軟件的DesignExplorer模塊,以黃豆為研究對象對氣吸式排種器的吸附性能參數(shù)進行優(yōu)化,可得到如下結(jié)論:

(1) 吸嘴的吸附性能對種子距離和吸孔半徑2個因素比較敏感,出口壓強、吸嘴傾角對吸附性能的影響不大。

(2) 改善吸嘴吸附性能的措施是適當減小種子距吸嘴的距離并擴大吸孔半徑,減小出口壓強,且不低于53kPa,吸嘴傾角取45°。但種子與吸嘴的距離不能過小,且吸種孔徑不能大于種子直徑。

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(責(zé)任編輯 張 镅)

Optimization and experiments of adsorption performance parameters for air-suction seeder

XU Hui, TANG Huohong, YANG Xiaodong, ZHU Hongsheng

(School of Mechanical Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

The adsorption performance of the air-suction seeder is the key to successful seeding of the breeding automation equipment with molecular technology. By using ANSYS Workbench software, the simulation and optimization on the sensitivity and interaction of the four factors affecting the adsorption performance, namely the aperture of the suction nozzle, vacuum degree, nozzle cone angle and distance between the seeds and suction nozzle, were conducted. Based on the simulation results, the adsorption performance of the suction nozzle was improved and the validation on the experimental prototype was done by utilizing soybean as the experiment subject. It is shown that the adsorption performance of the suction nozzle is more sensitive to the distance between the seeds and the suction nozzle and the aperture of the suction nozzle, followed by the influence of vacuum degree and nozzle cone angle. Appropriately reducing the distance between the seeds and the suction nozzle, expanding the aperture of the suction nozzle and reducing the outlet pressure are beneficial to improving the adsorption performance of the nozzle.

suction nozzle; air-suction seeder; adsorption performance; fluid-structure coupling simulation; multi-objective optimization; response surface

2015-10-14；

2015-11-04

中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(A類)資助項目(XDA08040109)

徐 慧(1991-),女,江蘇揚州人,合肥工業(yè)大學(xué)碩士生; 唐火紅(1973-),男,安徽池州人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)副教授,碩士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.02.004

S223.12

A

1003-5060(2017)02-0159-05