周 俊 孫文濤 梁子安

(南京農(nóng)業(yè)大學工學院, 南京 210031)

0 引言

菊芋(HelianthustuberosusL.)是多用途植物,根系具備水土保持及土壤性質(zhì)改良等功能,塊莖是食品、藥品及生物工程等領(lǐng)域的重要生物質(zhì)資源[1-3]。菊芋機械化收獲過程中,需要對根和塊莖進行分離處理,當前菊芋機械化收獲挖掘裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和減阻等方面已有相關(guān)研究[4-5],而清選和輸送等裝置的研究報道較為有限。由于菊芋在清選分離過程中物料成分復雜且相互混合,難以對其在不同作業(yè)參數(shù)下的運動規(guī)律開展研究,相關(guān)裝置作業(yè)參數(shù)設定缺少依據(jù)。而離散元法在非連續(xù)介質(zhì)[6-9]數(shù)值模擬方面具有優(yōu)勢,可根據(jù)材料接觸及力學等特性進行建模,并對物料與收獲裝置之間相互作用規(guī)律進行探究。因此,建立菊芋根-塊莖模型可以為菊芋機械化收獲過程中清選和輸送等環(huán)節(jié)的作業(yè)參數(shù)優(yōu)化研究奠定基礎(chǔ)。

菊芋根-塊莖結(jié)構(gòu)復雜且在收獲裝置內(nèi)相互混合,較難通過數(shù)學及有限元等方法實現(xiàn)其建模要求。而離散元法已在莖稈、根莖類物料物理特性模擬和收獲裝置參數(shù)優(yōu)化等方面得到了較多應用[10-13]。根據(jù)前述研究,建立柔性模型可以更好地模擬物料在復雜受力條件下與其他材料相互作用而產(chǎn)生的彎曲、變形等力學行為。然而,目前根莖及莖稈的離散元研究主要關(guān)注其自身單一的力學特性,較少考慮與其余連接部分的相互作用。

王鳳花等[14]通過對馬鈴薯塊莖進行3D掃描建立塊莖模型,可以反映收獲過程中馬鈴薯與各材料之間的接觸特性。ZHANG等[15]利用剛性莖稈及油莎豆模型,對油莎豆塊莖清選過程中物料運動規(guī)律進行了探究,據(jù)此選擇振動篩最優(yōu)工作參數(shù)。何曉寧等[16]通過構(gòu)建剛性根和塊莖粘結(jié)模型,研究收獲過程中油莎豆受力及位移規(guī)律,確定了起挖裝置最佳組合作業(yè)參數(shù)。通過前述研究可知,目前根系及塊莖模型多為離散的剛性顆粒,沒有考慮物料柔性特性對試驗結(jié)果的影響。

針對收獲裝置內(nèi)菊芋根系彎曲交錯、根與塊莖相互連接的特點,建立一種能反映根須柔性及塊莖脫落復合特性的模型,對于利用離散元法優(yōu)化菊芋收獲裝置作業(yè)參數(shù)具有指導意義。本文以收獲期菊芋根-塊莖為研究對象,兼顧根須柔性及塊莖脫落特性,通過離散元法建立菊芋根-塊莖柔性模型,并結(jié)合物理試驗對模型的基本接觸參數(shù)和粘結(jié)參數(shù)進行標定,為菊芋機械化收獲相關(guān)環(huán)節(jié)的作業(yè)參數(shù)設定研究提供理論模型支撐。

1 試驗材料與方法

1.1 收獲期菊芋根-塊莖參數(shù)測定

1.1.1菊芋根-塊莖本征及基本接觸參數(shù)測定

為獲得菊芋根-塊莖模型基本物理參數(shù),首先對菊芋根-塊莖本征及接觸參數(shù)進行測定,試驗選用江蘇地區(qū)菊芋種植園的早熟鮮食型菊芋品種。運用排水法測定塊莖密度為1 184.4 kg/m3。將試驗樣品制成直徑10 mm、長度20 mm的標準壓縮材料[17-18],使用圖1a所示TMS-Pro型質(zhì)構(gòu)儀(FTC公司,美國)進行平板單軸壓縮試驗,設置壓縮速度為20 mm/min,加載位移為6 mm,試驗重復10次,統(tǒng)計單軸壓縮試驗前后高度和直徑的變化,計算得到菊芋塊莖彈性模量、剪切模量和泊松比分別為5.728 MPa、2.034 MPa和0.408。

圖1 菊芋本征及基本接觸參數(shù)測定Fig.1 Determination of intrinsic and basic contact parameters of Jerusalem artichoke

菊芋塊莖與Q235鋼靜摩擦因數(shù)、動摩擦因數(shù)和碰撞恢復系數(shù)通過斜面法[19-20]確定,如圖1b,結(jié)果分別為0.446、0.275和0.620。菊芋根須及莖稈相關(guān)參數(shù)在前述相同試驗設備及方法下進行測定,所得參數(shù)如表1所示。

表1 仿真試驗基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of simulation experiment

1.1.2菊芋根須彎曲彈性模量測定

菊芋根須彎曲特性可用彎曲彈性模量表示,利用三點彎曲試驗[21]對其進行測量。研究中以有支撐加載方式慢速對根須段施加載荷,選取長度70 mm根須段5根,平均直徑為5.5 mm,將其兩端放置在水平支座上,支座兩點間距為60 mm,通過質(zhì)構(gòu)儀從根須中心加載,加載速度為10 mm/min,加載距離10 mm。

根須彎曲彈性模量E計算公式為

(1)

式中F——加載力,N

L——兩支座之間距離(標距),mm

γ——根須中點彎曲撓度,mm

I——根須橫截面相對其中性軸慣性矩,mm3

根須截面近似為圓形,其慣性矩I計算公式為

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式中d——根須外徑,mm

根據(jù)三點彎曲試驗所得力-位移曲線,采用式(1)、(2)計算可得本研究中菊芋根須彎曲彈性模量平均值為26.233 MPa。

1.1.3根-塊莖抗拉力測定

經(jīng)過觀察,菊芋塊莖多是從靠近塊莖節(jié)點處脫落,試驗采用拉伸法測量菊芋收獲期內(nèi)根-塊莖抗拉力的取值范圍[22],為方便夾持在不破壞節(jié)點前提下將塊莖作切割處理。質(zhì)構(gòu)儀設置從1 N開始自動判斷斷裂,加載速度20 mm/min,加載距離10 mm,各節(jié)點拉伸試驗重復5次。

試驗結(jié)果表明:不同菊芋個體根-塊莖抗拉力有所差異,試驗分別測得根-塊莖法向抗拉力平均為24.65 N,切向抗拉力平均為21.14 N。由于斷面實際可能為一截面,其剛度較難獲得,將拉伸試驗過程中根須段剛度看作斷面剛度,其均值為 9 443.18 N/m。 根-塊莖拉伸試驗中,根須自身發(fā)生斷裂的情形較少,不同根須抗拉力范圍為24.68～60.76 N。

1.2 菊芋根-塊莖離散元柔性模型

1.2.1菊芋柔性根須模型

為模擬菊芋根須在收獲裝置中受力彎曲的特性,建立菊芋柔性根須模型。菊芋根須韌性較高,表皮組織薄,內(nèi)部質(zhì)地均勻,且收獲過程中其根須一般只產(chǎn)生彎曲而不斷裂,為簡化運算,本研究基于菊芋根須彎曲特性進行研究標定,同時根顆粒選用準球形顆粒[13],半徑設置為3.5 mm。

使用SolidWorks軟件獲得根顆粒坐標,導入EDEM元顆粒生成界面,如圖2所示。由于對根須進行了放大,因此需重新確定根顆粒密度,其計算式[11]為

(3)

圖2 菊芋柔性根須模型Fig.2 Jerusalem artichoke flexible root model

式中ρ——根顆粒密度,kg/m3

m——真實根須單位長度質(zhì)量,kg/mm

l——柔性根須單元長度,mm

V——柔性根須單元體積,m3

建立刀具模型并導入EDEM進行三點彎曲仿真試驗[7],以刀具為中心建立水平支座,支座兩點間距為60 mm,設定刀具運動速度為10 mm/min,方向垂直向下,如圖2c所示,設置仿真計算固定時間步長為1×10-6s。

1.2.2菊芋根-塊莖模型及仿真試驗模型

為模擬菊芋在收獲裝置中根須彎曲及塊莖脫落的特性,建立菊芋根-塊莖模型如圖3a所示。

圖3 菊芋根-塊莖模型及仿真試驗模型Fig.3 Jerusalem artichoke root-tuber and simulation experiment model

菊芋塊莖形狀不規(guī)則,整體呈梨形、紡錘形等。離散元法構(gòu)建復雜顆粒常先采用三維建模軟件獲取顆粒坐標[23-24],再將其導入顆粒生成界面,如圖3b所示。塊莖脫落后是離散顆粒,其接觸模型可以采用Hertz-Mindlin基本模型,而菊芋根須為柔性體,為對其彎曲和塊莖脫落特性進行模擬,根顆粒之間須采用Hertz-Mindlin with bonding V2接觸模型。將提取的各顆粒坐標導入元顆粒生成界面,最終生成菊芋根-塊莖模型,仿真試驗基本參數(shù)如表1所示。

對于根-塊莖拉伸仿真試驗,為方便顆粒生成,在菊芋根-塊莖模型基礎(chǔ)上使用球形顆粒代替塊莖顆粒進行試驗,如圖 3c所示,夾具之間距離為70 mm,設置動夾具運動速度為20 mm/min,方向垂直向上,靜夾具不動,設置仿真計算固定時間步長為1×10-6s。

1.2.3Hertz-Mindlin with bonding V2 接觸模型

Hertz-Mindlin with bonding V2接觸模型是EDEM在原始bonding模型基礎(chǔ)上改良而來,配合元顆粒功能可以實現(xiàn)不同粒徑復合顆粒的快速創(chuàng)建,并且計算過程兼容GPU加速功能,在農(nóng)業(yè)物料研究[25]領(lǐng)域具有較大開發(fā)潛力。當使用該模型創(chuàng)建顆粒,顆粒間的相互作用在指定粘結(jié)時間以前通過Hertz-Mindlin(no slip)接觸模型進行計算,達到指定粘結(jié)時間后,顆粒將通過平行粘結(jié)鍵粘結(jié)在一起,顆粒間力和力矩被設置為0,并逐步更新

(4)

其中

(5)

式中A——粘結(jié)鍵橫截面積,mm2

Fn——法向粘結(jié)力,N

Ft——切向粘結(jié)力,N

Mn——法向粘結(jié)力矩,N·m

Mt——切向粘結(jié)力矩,N·m

kn——法向粘結(jié)剛度,N/m3

kt——切向粘結(jié)剛度,N/m3

vn——顆粒法向相對速度,m/s

vt——顆粒切向相對速度,m/s

ωn——顆粒法向相對角速度,rad/s

ωt——顆粒切向相對角速度,rad/s

δt——時間步長,s

J——粘結(jié)鍵橫截面的極慣性矩,mm4

R——粘結(jié)鍵橫截面半徑,mm

r——鍵合對中最小顆粒半徑,mm

s——粘結(jié)半徑比

當顆粒間最大法向應力σmax和最大切向應力τmax超過設定臨界法向應力σcritical和臨界切向應力τcritical時,顆粒間的粘結(jié)鍵斷裂,此時有

(6)

2 參數(shù)標定試驗設計與結(jié)果分析

2.1 根-根顆粒粘結(jié)參數(shù)單因素試驗

2.1.1單因素試驗設計

粘結(jié)參數(shù)包括:接觸半徑、粘結(jié)半徑比、法向及切向粘結(jié)剛度以及臨界法向及切向應力。其中,粘結(jié)半徑比可決定粘結(jié)鍵的橫截面半徑,為使根顆粒間規(guī)律粘結(jié),根顆粒接觸半徑不宜選取過大,固定為5.0 mm。由于根須韌性較強,在本研究及實際收獲過程中較少發(fā)生斷裂,因此在本研究中只考慮根-根顆粒粘結(jié)半徑比x1、根-根顆粒法向粘結(jié)剛度x2及根-根顆粒切向粘結(jié)剛度x3,分別以這3個粘結(jié)參數(shù)為試驗因素設置3組單因素五水平試驗,如表2所示。試驗時固定因素均取水平3,即x1為4.0、x2為1.000×107N/m3、x3為1.000×107N/m3。同時,為使柔性根須在試驗彎曲撓度下不發(fā)生斷裂,根-根顆粒臨界法向及切向應力取5×1010Pa。

表2 粘結(jié)參數(shù)靈敏度分析單因素試驗設置Tab.2 Design of single-factor experiment for bonding parameters

2.1.2單因素試驗結(jié)果與分析

粘結(jié)參數(shù)靈敏度試驗結(jié)果如圖4所示?？芍敻?根顆粒粘結(jié)半徑比從1.0增加到7.0,柔性根須彎曲彈性模量由2.777 MPa增加到880.810 MPa,此外隨著根-根顆粒法向和切向粘結(jié)剛度從1.000×105N/m3增加到1.000×109N/m3,柔性根須彎曲彈性模量分別從1.960 MPa增加到1 099.989 MPa和從11.450 MPa增加到163.896 MPa,同時由曲線增長趨勢及幅度可以看出,在設計試驗水平下,根-根顆粒法向粘結(jié)剛度對根須彎曲彈性模量的影響大于根-根顆粒粘結(jié)半徑比及根-根顆粒切向粘結(jié)剛度的影響。

圖4 柔性根須彎曲彈性模量隨粘結(jié)參數(shù)變化曲線Fig.4 Curves of flexural elastic modulus of flexible roots varied with bonding parameters

2.2 根-根顆粒粘結(jié)參數(shù)多因素試驗

2.2.1多因素試驗設計

粘結(jié)參數(shù)靈敏度分析表明,3個粘結(jié)參數(shù)對柔性根須彎曲彈性模量都有較大的影響,因此需要對3個粘結(jié)參數(shù)進行標定,參考單因素試驗及菊芋根須實際彎曲彈性模量范圍對試驗水平取值范圍進行壓縮,設計Box-Behnken試驗,試驗因素編碼如表3所示。

表3 Box-Behnken 試驗因素編碼Tab.3 Codes of factors for Box-Behnken

2.2.2多因素試驗結(jié)果與分析

試驗設計及結(jié)果見表4,X1、X2和X3分別為根-根顆粒粘結(jié)半徑比、根-根顆粒法向粘結(jié)剛度和根-根顆粒切向粘結(jié)剛度編碼值,試驗指標為柔性根須彎曲彈性模量Y,并可據(jù)此建立柔性根須彎曲彈性模量與3個粘結(jié)參數(shù)的二階回歸模型。

表4 Box-Behnken試驗設計與結(jié)果Tab.4 Design and results of Box-Behnken experiment

本研究中所得最大和最小彎曲彈性模量之比為1 843,遠大于100,因此對其進行立方根變換,得到其回歸方程表達式為

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對所建立的回歸模型進行方差分析,結(jié)果如表5所示。

表5 方差分析Tab.5 ANOVA of quadratic polynomial model of Box-Behnken design

應用Design-Expert 12.0軟件對該回歸模型以最初設計點為起始點求解,當基本接觸參數(shù)取值如表1所示,為使仿真結(jié)果最接近真實試驗所得菊芋根須彎曲彈性模量,確定3個粘結(jié)參數(shù)最佳組合:根-根顆粒粘結(jié)半徑比為1.2,根-根顆粒法向粘結(jié)剛度為9.063×107N/m3,根-根顆粒切向粘結(jié)剛度為4.078×107N/m3。

2.3 根-塊莖顆粒粘結(jié)參數(shù)試驗設計及分析

由于篩分過程中物料接觸作用復雜,較難對根-塊莖顆粒之間粘結(jié)參數(shù)進行準確標定,在1.2.3節(jié)基礎(chǔ)上設計滾筒篩分仿真試驗,對根-塊莖粘結(jié)鍵受力及力矩進行分析。

按照表1及2.2.2節(jié)粘結(jié)參數(shù)構(gòu)建菊芋根-塊莖模型,其中,根-塊莖顆粒臨界法向及切向應力取5×1010Pa。由于喂入量較少,篩內(nèi)物料提升拋落作用主要依靠金屬篩體作用于菊芋根莖及塊莖的支持及摩擦力[26],仿真試驗其他接觸參數(shù)須使得篩內(nèi)物料運動形式符合滾筒篩分規(guī)律,由于菊芋塊莖及根系之間仿真接觸參數(shù)研究較少,因此本研究參考研究對象與試驗物料物理特性相近的文獻[23,27-29]設置相關(guān)參數(shù),如表6所示。試驗過程中,一次性生成12個菊芋根-塊莖模型,滾筒篩轉(zhuǎn)速分別設為15、17、19、21、23 r/min,如圖3d所示。利用式(6)計算并統(tǒng)計各時刻根-塊莖顆粒間粘結(jié)鍵力及力矩所產(chǎn)生最大應力,各平均值如圖5所示。

表6 塊莖脫落仿真試驗接觸參數(shù)Tab.6 Contact parameters of simulation experiment of tuber shedding

表7 菊芋根-塊莖模型粘結(jié)參數(shù)Tab.7 Bonding parameters of Jerusalem artichoke root-tuber model

圖5 粘結(jié)鍵粘結(jié)力及力矩應力變化曲線Fig.5 Curves of bond force and torque stress

由圖5可知,根-塊莖粘結(jié)鍵各因素產(chǎn)生應力整體變化隨轉(zhuǎn)速增加而增加,且法向粘結(jié)力及切向粘結(jié)力矩整體在切向粘結(jié)力及法向粘結(jié)力矩之上,由式(6)說明σmax產(chǎn)生的破壞效應大于τmax。此外,法向及切向粘結(jié)力應力增長整體緩和,而法向及切向粘結(jié)力矩應力在轉(zhuǎn)速19 r/min后出現(xiàn)明顯增長,這可能是由于滾筒篩轉(zhuǎn)速增加,篩內(nèi)物料運動形式由滑動向拋落過渡,使得滾筒篩對菊芋根莖的彎折相對于拉扯作用進一步增強。

由于各因素對于斷鍵影響趨勢較為接近,且真實滾筒篩內(nèi)塊莖力矩較難測量,由式(6)可知,適當增加粘接半徑比可增加粘結(jié)鍵橫截面積,降低粘結(jié)鍵所受力矩對斷鍵的影響,將根-塊莖顆粒粘接半徑比取為4.0;將拉伸試驗過程中根須段剛度看作柔性根須與塊莖顆粒之間連接剛度,根-塊莖顆粒法向及切向粘結(jié)剛度取5.112×106N/m3,拉伸試驗過程中根-塊莖破壞拉力集中在24.65 N附近,由1.2.3節(jié)可知,根-塊莖顆粒臨界法向應力取13 344 Pa,根-塊莖顆粒臨界切向應力取11 443 Pa。

3 驗證試驗

3.1 三點彎曲及拉伸對比試驗

為了驗證標定粘結(jié)參數(shù)的準確性,進行根須三點彎曲試驗及根-塊莖拉伸仿真與實際對比試驗,如圖6所示,同時確保菊芋根與莖稈顆粒之間不斷裂,模型參數(shù)如表1、7所示。

圖6 三點彎曲及拉伸仿真試驗與實際試驗結(jié)果Fig.6 Three-point bending and tensile simulation and physical experiments

經(jīng)檢驗,采用上述粘結(jié)參數(shù)組合進行柔性根須三點彎曲仿真試驗得彎曲彈性模量為27.358 MPa,與實際測量值26.233 MPa的相對誤差為4.29%。這說明所建立的回歸模型能夠較好地預測柔性根須彎曲彈性模量,柔性根須在標定的粘結(jié)參數(shù)下可以用于模擬菊芋根須受力彎曲特性。

拉伸試驗效果如圖6d所示(紅色虛線表示切割前塊莖輪廓),菊芋根-塊莖抗拉力仿真值為27.50 N,與實際測量值25.53 N的相對誤差為7.72%,模型能較好地反映塊莖脫落力學特性。

3.2 塊莖脫落對比試驗

菊芋收獲機滾筒篩裝置通過對物料不斷提升與拋落實現(xiàn)塊莖脫落及篩分作用,必須選擇合適的喂入量、傾角及轉(zhuǎn)速等參數(shù)。根據(jù)菊芋根-塊莖力學特性對比試驗,進行菊芋塊莖脫落測試,以驗證模型用于清選及輸送等環(huán)節(jié)工作參數(shù)優(yōu)化的可行性。

3.2.1塊莖脫落仿真試驗

仿真試驗按照表1、6、7設置模型參數(shù),滾筒篩轉(zhuǎn)速分別設為17、19、21 r/min,如圖3d所示。仿真過程中,物料在滾筒篩內(nèi)主要經(jīng)歷3次提升與拋落。以EDEM坐標原點水平面作為參考,從左到右,依次輸出轉(zhuǎn)速17 r/min下物料每次達到最大提升高度時的滾筒篩截面圖。物料以不同顏色展示,代表與坐標原點水平面的相對距離,據(jù)此可以觀察物料與滾筒篩的相對位置,如圖7a所示。同樣可得另外兩個轉(zhuǎn)速截面圖,如圖7b、7c所示?？芍?篩內(nèi)物料沿滾筒篩壁面提升至一定高度后滑落或拋落,運動形式與滾筒篩作用規(guī)律相符,表明仿真試驗接觸參數(shù)設置合理,同時可以發(fā)現(xiàn),隨著滾筒轉(zhuǎn)速增加,篩內(nèi)物料最大提升高度及離散程度增加,塊莖脫落效果提升。

圖7 不同轉(zhuǎn)速下物料與滾筒篩的相對位置Fig.7 Relative position of materials and drum screen at different rotary speeds

為進一步分析仿真過程中菊芋塊莖脫落情況,以物料沿滾筒篩軸線方向輸送距離為橫坐標軸,其中一組試驗根-塊莖顆粒之間粘結(jié)鍵數(shù)目變化曲線如圖8所示。

圖8 根-塊莖顆粒之間粘結(jié)鍵數(shù)目變化曲線Fig.8 Curves of bonds number between root and tuber particles

由圖8可知,菊芋根-塊莖團聚體塊莖脫落過程在滾筒篩內(nèi)可分為2個階段(以圖中黑色虛線為分界)。第1階段菊芋塊莖剛接觸滾筒篩,以較低初速度與篩體發(fā)生相對碰撞,大量粘結(jié)鍵在此階段斷裂,此時影響其斷裂的主要因素為物料與滾筒篩的相對速度。第2階段混合物料在篩內(nèi)反復提升與拋落,其中,在轉(zhuǎn)速21 r/min條件下,物料與滾筒篩相對速度最大,提升過程亦存在較多粘結(jié)鍵斷裂,整體下降迅速,19 r/min條件下,提升過程斷鍵較少,拋落觸篩斷鍵較多,呈階梯式下降,17 r/min相對速度和提升高度最小,粘結(jié)鍵斷裂趨緩。

若要獲得較高脫落率,滾筒轉(zhuǎn)速設置為19 r/min更優(yōu),過高轉(zhuǎn)速會增加機器功耗和物料沖擊作用而對塊莖脫落率提升效果不大。

3.2.2塊莖脫落田間試驗

田間試驗在江蘇省鹽城市王港新閘的菊芋種植田進行,土壤類型為沙土,為保證喂入情況與仿真條件相符,取收獲機前進速度為1 km/h,挖掘深度為20 cm,在前述試驗條件下,土壤在收獲機前部輸送鏈幾乎全部落下而不進入滾筒篩,此外滾筒篩轉(zhuǎn)速與仿真試驗設計一致,如圖9所示。

圖9 塊莖脫落田間試驗Fig.9 Field experiments of tuber shedding

每個試驗水平測試區(qū)域長度為20 m,作業(yè)后隨機取3個長度為3 m的小區(qū),統(tǒng)計塊莖脫落率,取平均值作為最終結(jié)果。3個試驗水平條件下,田間試驗菊芋塊莖脫落率分別為71.76%、93.48%、97.50%,可知17 r/min到19 r/min階段,通過提升轉(zhuǎn)速,收獲機即可獲得較高脫落率,超過19 r/min,進一步提升轉(zhuǎn)速對脫落率影響不大,與仿真預測趨勢一致。

由上述試驗結(jié)果可知,仿真試驗過程中菊芋根系彎曲交錯、塊莖受力脫落,與田間試驗表現(xiàn)一致,此外仿真過程中篩內(nèi)物料運動形式符合滾筒篩分規(guī)律,所構(gòu)建的菊芋根-塊莖模型能較準確反映真實菊芋根-塊莖力學特性,可以將其應用于菊芋機械化收獲相關(guān)環(huán)節(jié)作業(yè)參數(shù)優(yōu)化。

4 結(jié)論

(1)基于離散元法,結(jié)合收獲期菊芋根莖及塊莖的力學特性,建立了菊芋根-塊莖柔性模型并對其模型參數(shù)進行了標定。

(2)通過密度試驗、斜面試驗等確定了菊芋莖稈、根須及塊莖本征參數(shù)及與Q235鋼的摩擦因數(shù)、碰撞恢復系數(shù)等接觸參數(shù);利用三點彎曲和拉伸物理試驗分別確定了菊芋根須彎曲彈性模量和根-塊莖抗拉力等力學參數(shù)。

(3)利用單因素試驗和響應曲面試驗,得到菊芋根顆粒之間的粘結(jié)參數(shù),基于根-塊莖顆粒粘結(jié)鍵應力分析得到根與塊莖顆粒之間的粘結(jié)參數(shù)。

(4)驗證試驗表明,菊芋根須彎曲彈性模量及根-塊莖抗拉力仿真結(jié)果與實際測量值相對誤差分別為4.29%和7.72%,滾筒篩轉(zhuǎn)速對于菊芋塊莖脫落率影響效應田間試驗與仿真預測趨勢一致。模型可為菊芋機械化收獲清選及輸送等環(huán)節(jié)作業(yè)參數(shù)優(yōu)化研究提供理論模型支撐。