基于離散單元法的玉米秸稈仿真模型建立及參數(shù)標(biāo)定

基于離散單元法的玉米秸稈仿真模型建立及參數(shù)標(biāo)定摘要：無論是機(jī)收中分離玉米果穗和玉米秸稈，亦或是收獲前使用刀片分割玉米秸稈，玉米秸稈的物理特性都是在機(jī)收作業(yè)中不可或缺的重要因素，甚至在生產(chǎn)收獲的其他環(huán)節(jié)中，例如秸稈還田以及加工飼料的粉碎及揉碎等過程，無一不體現(xiàn)著秸稈物理接觸性能的重要性。所以實(shí)驗(yàn)測(cè)量出玉米秸稈的物理接觸特性并且針對(duì)秸稈內(nèi)瓤與表皮物理特性差異巨大的問題建立一個(gè)精準(zhǔn)的玉米秸稈的雙層粘結(jié)三維模型對(duì)研發(fā)玉米機(jī)收機(jī)械具有十足重要的意義。本文通過對(duì)秸稈的壓縮、剪切、三點(diǎn)彎曲等試驗(yàn)測(cè)量計(jì)算出相關(guān)力學(xué)特性，采用SolidWorks建立其基本三維模型，利用EDEM軟件對(duì)模型各種參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，包括粘結(jié)與接觸等，并完成多項(xiàng)針對(duì)性仿真實(shí)驗(yàn)，包括壓縮、剪切、三點(diǎn)彎曲等，并保持對(duì)參數(shù)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化，最終獲得高真實(shí)度的離散元三維模型，為之后的秸稈揉碎機(jī)等相關(guān)設(shè)備研發(fā)提供較為實(shí)用的參考數(shù)據(jù)。關(guān)鍵詞：玉米秸稈；接觸參數(shù)；粘結(jié)參數(shù)；離散元1前言1.1研究背景及意義作為糧食作物的主要農(nóng)副產(chǎn)品，玉米秸稈是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的關(guān)鍵生物質(zhì)資源。作為畜牧業(yè)飼料的主要原材料，其營養(yǎng)成份相當(dāng)豐富，通過實(shí)驗(yàn)研究的證明，秸稈中含有多種營養(yǎng)物質(zhì)，其中包括磷、氮、有機(jī)質(zhì)、碳水化合物、鉀、蛋白質(zhì)、脂肪等。其中，糖類的總含量達(dá)到了百分之三十，有機(jī)質(zhì)的含量也超過了百分之十五，如何高效節(jié)能的回收利用玉米秸稈現(xiàn)已經(jīng)成為解決工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)原材料、能源緊缺以及加工動(dòng)物飼料緊缺問題的一大關(guān)鍵。在利用其的過程中，要充分發(fā)揮好秸稈資源的可再生屬性，并以此激發(fā)出更廣闊的經(jīng)濟(jì)與生態(tài)價(jià)值效益，大幅度的減少人類生產(chǎn)制造活動(dòng)對(duì)大自然的影響與危害，形成資源循環(huán)合理利用的新局面[1]。我國大江南北的玉米秸稈生產(chǎn)總量非常豐富，玉米雖然作為我國的三大最主要的糧食作物之一，但是就目前的秸稈開發(fā)現(xiàn)狀而言，其開發(fā)利用率依舊是差強(qiáng)人意，玉米秸稈的利用率不高。通過幾年的發(fā)展，伴隨著種植技術(shù)的發(fā)展與機(jī)械化程度的不斷深化，玉米的產(chǎn)量取得了大跨步的提升成果，農(nóng)民獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益，與此同時(shí)秸稈作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的剩余生物材料資源，海量的玉米秸稈回收利用途徑也受到了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。秸稈資源目前也已經(jīng)開發(fā)出多方面用途，其中用于還田類的，占比約為30.2%，用于飼料制作類的，占比約為26.2%，用于燃料用途的，占比約為24.4%。其中東北春玉米區(qū)秸稈用途的詳細(xì)數(shù)據(jù)為，其中燃料用途的，占比達(dá)到34.7%，飼料制作類用途的，占比約為30.8%，還田用途的，占比也有19.8%，這些用途類型都比焚燒和工業(yè)原料兩個(gè)用途占比更高[2]。玉米種植極為廣泛和普遍，從海拔數(shù)千米的高原到一些洼地平原等都在種植，目前全球玉米種植規(guī)模已經(jīng)達(dá)到了1.3億h㎡，玉米主要種植過包括了巴西、美、中，還有另一個(gè)種植大國阿根廷等，從全球主糧種植面積來看，玉米排名第三，同時(shí)在全球主糧占比中也達(dá)到了20%。因此，玉米種植對(duì)一國糧食安全具有重要意義，讓玉米收獲實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，對(duì)提高玉米種植效率，降低人工勞動(dòng)負(fù)擔(dān)等都具有積極影響[3]。雖然我國是全球排名潛力的玉米產(chǎn)出國，但現(xiàn)階段玉米機(jī)械收獲占比還是處在較低水平，這包含了以下幾點(diǎn)原因。一是國內(nèi)玉米標(biāo)準(zhǔn)化種植推行力度不強(qiáng)，行距差異較大，讓玉米收獲機(jī)始終難以達(dá)到預(yù)期質(zhì)量要求[4]。二是由于售價(jià)較高以及投資成本回收周期較長，導(dǎo)致市場(chǎng)占有率較低。例如烏克蘭赫爾松康拜因制造公司、河北省農(nóng)機(jī)化所與藁城聯(lián)合收獲機(jī)廠三家公司與科研機(jī)構(gòu)共同聯(lián)手研發(fā)的富路牌4YZ-3型玉米聯(lián)合收獲機(jī)，雖然其機(jī)具在執(zhí)行農(nóng)耕作業(yè)時(shí)所表現(xiàn)出來機(jī)體性能與耕作質(zhì)量比較一般，但因?yàn)檗r(nóng)民在使用時(shí)的穩(wěn)定性與可靠性較高，整體上獲得了大部分用戶的青睞。然而，因?yàn)槠涓甙旱氖蹆r(jià)與漫長的研發(fā)資金回籠時(shí)間由于，所以并未獲得較高的市場(chǎng)占有量。三是由于機(jī)收玉米子粒破損率以及果穗損失率難以保持相對(duì)較低的水平符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。從1980年一份報(bào)告可知，當(dāng)年河北省欒城縣進(jìn)行了一次機(jī)械化收獲實(shí)驗(yàn)，其中利用了1440型玉米聯(lián)合收獲機(jī)，但并沒有取得令人滿意的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，玉米粒破碎率經(jīng)過測(cè)算后達(dá)到14%，總損失率也非常驚人，統(tǒng)計(jì)有20%。因此就需要對(duì)玉米秸稈進(jìn)行物理性質(zhì)上的研究以對(duì)玉米收獲機(jī)的研究及發(fā)展提供一定的理論依據(jù)。而利用離散元法對(duì)玉米秸稈進(jìn)行仿真模擬試驗(yàn)可以有效地模擬其物理性質(zhì)。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國內(nèi)玉米秸稈揉碎機(jī)研究現(xiàn)狀秸稈揉碎機(jī)作業(yè)過程為：整根秸稈由進(jìn)料口喂入揉碎室，經(jīng)過動(dòng)刀切割、錘片擊打、齒板齒條碰撞等過程，將整根秸稈加工為絲狀粗飼料，由拋送葉板拋出。近年來，較多學(xué)者研究了玉米秸稈揉碎機(jī)理。秸稈揉碎機(jī)（也稱秸稈揉絲機(jī)）在我國發(fā)展較晚，20世紀(jì)80年代開始，內(nèi)蒙古、黑龍江、新疆、河北、河南等一些省、自治區(qū)開發(fā)研制了秸稈飼草揉碎機(jī)。早期以中小機(jī)型為主，近幾年以大中機(jī)型為主，自動(dòng)化作業(yè)比例不斷提高。其中具有代表性由小到大的機(jī)型包括：陜西秦原生物責(zé)任有限公司研制的9RC-30型秸稈揉碎機(jī)，如圖1所示。該機(jī)型具有揉碎和粉碎功能，可將秸稈等作物莖稈揉碎成絲狀，提高家畜的適口性。內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的9R-40型秸稈揉碎機(jī)，能夠?qū)⒔斩?、藤蔓、牧草等長纖維農(nóng)業(yè)物料加工成一定長度絲狀物料。該機(jī)配套動(dòng)力為7.5~11kW，轉(zhuǎn)子直徑為400mm，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為2750~2800r/min，生產(chǎn)率為1t/h，度電產(chǎn)量為100~110kg/kWh。-圖19RC-30型秸稈揉碎機(jī)國內(nèi)學(xué)者普遍將揉碎室內(nèi)玉米秸稈簡化為質(zhì)點(diǎn)，從沖擊作用過程、能量轉(zhuǎn)化、軸向推移運(yùn)動(dòng)和氣流場(chǎng)規(guī)律的角度分析了玉米秸稈揉碎機(jī)理。由于揉碎室內(nèi)每一段玉米秸稈的質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)方向、運(yùn)動(dòng)速度、碰撞角度差異較大，將玉米秸稈簡化為質(zhì)點(diǎn)分析具有一定局限性。并未定量分析玉米秸稈群運(yùn)動(dòng)、碰撞和破碎過程。如何定量分析玉米秸稈揉碎機(jī)理，是優(yōu)化揉碎機(jī)結(jié)構(gòu)、降低能耗的主要問題。1.2.2國外玉米秸稈揉碎機(jī)研究現(xiàn)狀目前國外在秸稈揉碎機(jī)應(yīng)用方面較國內(nèi)領(lǐng)先一步，主要以大型秸稈機(jī)械為主，且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一定標(biāo)準(zhǔn)化種植，因此該類機(jī)械設(shè)備自動(dòng)化和通用性都較為出色，另外該領(lǐng)域還大量使用飼草加工機(jī)械，且動(dòng)力強(qiáng)勁，多數(shù)都超過75kW。其中JONHANDEER公司向市場(chǎng)推出了一款立軸式飼草揉絲機(jī)，具有非常優(yōu)秀的生產(chǎn)率表現(xiàn)，每小時(shí)能處理4噸草料，功率達(dá)到50kw。丹麥多農(nóng)公司也推出了一款專業(yè)化的飼草加工機(jī)組，性能較為優(yōu)越，即“多農(nóng)805”，主要用于秸稈揉碎作業(yè)；皮里氏登公司研發(fā)了一款飼草粉碎機(jī)，作業(yè)效率能夠達(dá)到每小時(shí)4到5噸，這就是皮里氏登100型。另外值得一提的還有庫恩公司向市場(chǎng)推出的Euromix飼草揉碎機(jī)，該設(shè)備外形見圖2，動(dòng)力非常強(qiáng)勁，達(dá)到91kw，同時(shí)還提供了一個(gè)超大容量的料倉，達(dá)到27m3，具有自動(dòng)取料、卸料等操作。圖2Euromix型立式飼草加工機(jī)械1.2.3國內(nèi)離散元方法研究現(xiàn)狀離散元法(DiscreteElementMethod,DEM)是由PaterCundall院士提出，公開時(shí)間是在1971年，該方法是建立在分子動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)之上的，其基本原理思路是對(duì)不連續(xù)體進(jìn)行分離處理，并將之促成為一種剛性元素結(jié)合，并讓其能夠適用運(yùn)動(dòng)方程，為了獲取這一方程，其中會(huì)利用到時(shí)步迭代方案，從而最終能夠反映不連續(xù)體運(yùn)動(dòng)形態(tài)。該方法框架下，就是把介質(zhì)進(jìn)行解析，將之描述為一系列離散單元，并根據(jù)其本身離散特性而進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，也就是將被分析對(duì)象當(dāng)成一些離散顆粒的集合。我國離散元方法的研究開始于20世紀(jì)80年代，王泳嘉引入Cundall的離散元法進(jìn)行巖石力學(xué)和顆粒系統(tǒng)的模擬[12]。近年來也有眾多學(xué)者應(yīng)用離散元方法模擬了玉米秸稈運(yùn)動(dòng)過程。如王韋韋等學(xué)者用EDEM軟件建立了無支撐秸稈全覆蓋土壤離散元模型，對(duì)傳統(tǒng)玉米免耕播種機(jī)一些不足提供了有效解決路徑，如多次下田作業(yè)情況，或開溝作業(yè)失誤率高等問題。1.2.2國外離散元方法研究現(xiàn)狀離散元法（DEM）的提出者是CUNDALL，本質(zhì)上就是一種數(shù)值模擬法，主要面向的問題對(duì)象是非連續(xù)介質(zhì)問題，其構(gòu)建理論來源是基于不同本構(gòu)關(guān)系的第二定律，涉及方程求解的過程，一般采用的是動(dòng)態(tài)松弛法。自該方法面世以來，就持續(xù)不斷進(jìn)行完善，目前在散體物料處理方面獲得了較大的成功，但是目前在篩分領(lǐng)域還處在適應(yīng)期。而EDEM軟件則是一種基于離散元法而構(gòu)建的通用CAE軟甲，也是該領(lǐng)域首個(gè)軟件，能夠提供顆粒系統(tǒng)仿真及分析等多項(xiàng)功能，能夠便捷化構(gòu)建相應(yīng)參數(shù)模型，并在其中自由度較高的進(jìn)行顆粒各項(xiàng)力學(xué)、物理等方面性質(zhì)參數(shù)的添加或調(diào)整。通過該軟件，能夠快速得到一個(gè)顆粒系統(tǒng)模型，該模型中還有一個(gè)接觸模型，其面向的是物料破碎仿真領(lǐng)域，其實(shí)現(xiàn)原理是進(jìn)行粒子粘結(jié)，其中利用了有限尺度、粘結(jié)劑等軟件工具，該種粘結(jié)模式能夠形成一定機(jī)械強(qiáng)度，只有滿足極限應(yīng)力條件時(shí)這種結(jié)構(gòu)才會(huì)被破壞，此時(shí)粘結(jié)力將消失。因此該接觸模型可以直接用來當(dāng)做秸稈模型，能夠讓模型效果接近實(shí)際秸稈接觸性能，且能夠進(jìn)行各種參數(shù)調(diào)節(jié)，因此能夠在各種條件下進(jìn)行壓縮、彎曲等項(xiàng)仿真實(shí)驗(yàn)，從而構(gòu)建與真實(shí)秸稈物理性能高度接近的三維模型。并以此為后續(xù)學(xué)者在玉米收獲機(jī)、秸稈粉碎機(jī)等相關(guān)機(jī)械的研究和改進(jìn)提供一定的理論上的參考依據(jù)。1989年英國Aston大學(xué)Thornton引入Cun-dan的TuRBAL程序，并立足于顆粒接觸模型，對(duì)其進(jìn)行了升級(jí)與改造，最終形成了一個(gè)新版本，即TRUBAL-Aston版，后來又將其改名為GRANuLE。其中深入融入了彈塑性圓球接觸力學(xué)原理，因此能夠?qū)Χ喾N問題或條件進(jìn)行貼近真實(shí)性的模擬，如彈性-塑性、兩相流等。學(xué)界也在持續(xù)推動(dòng)顆粒離散元法的深入探討與持續(xù)發(fā)展，法國很多研究者與機(jī)構(gòu)進(jìn)行了多方面的散體實(shí)驗(yàn)，并取得較大成果，其中在DEM分析中使用PFC-ZD/3D是一項(xiàng)重要成果，還有Radjia等[15]也進(jìn)行了類似探索。日本也有很多學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)或團(tuán)體在進(jìn)行散體細(xì)觀力學(xué)研究并取得諸多成果，如顆粒技術(shù)學(xué)會(huì)、日本科學(xué)促進(jìn)會(huì)、基礎(chǔ)工程學(xué)會(huì)等，并多次組織美日散體力學(xué)領(lǐng)域的專題學(xué)術(shù)會(huì)議等。其他較知名的研究者還有aSitama大學(xué)的Oda，東北大學(xué)的Satake和Kishino，大坂大學(xué)的Tsuji和aTanka等人。oda等編寫了很多關(guān)于散體力學(xué)領(lǐng)域的論著。1.3研究內(nèi)容（1）玉米秸稈的力學(xué)參數(shù)的獲?。?）獲取秸稈三維模型的坐標(biāo)（3）玉米秸稈三維模型參數(shù)標(biāo)定對(duì)玉米秸稈的三維模型進(jìn)行本征參數(shù)標(biāo)定，分別是剪切模量、泊松比、密度；對(duì)玉米秸稈的三維模型進(jìn)行物理接觸參數(shù)標(biāo)定，有玉米秸稈之間的恢復(fù)系數(shù)、動(dòng)靜摩擦因數(shù)等，還有玉米秸稈對(duì)鋼的恢復(fù)系數(shù)、動(dòng)靜摩擦因素；另外對(duì)秸稈粘結(jié)參數(shù)也需要給予確定，利用的有法向與切向剛度系數(shù)、粘結(jié)半徑、臨界法向與切向應(yīng)力等，借此獲得相關(guān)離散元模型。（4）對(duì)秸稈模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)（5）修正模型參數(shù)1.4研究目標(biāo)(1)對(duì)玉米秸稈進(jìn)行彎曲、三點(diǎn)擠壓等試驗(yàn)，測(cè)出其物理特性及力學(xué)參數(shù)(2)以玉米秸稈為模擬對(duì)象，構(gòu)建相應(yīng)的離散元三維模型，進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定，讓模型與實(shí)體物理特性具備高度近似性。(3)得到的離散元三維模型，能夠進(jìn)行相應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)，包括壓縮、彎曲等。(4)本文所構(gòu)建的玉米秸稈模型能夠?yàn)橄嚓P(guān)收獲機(jī)，粉碎機(jī)的研發(fā)提供一定數(shù)據(jù)參考。1.5研究方法（1）首先測(cè)算出玉米秸稈的含水率、堆積角等物理參數(shù)。（2）通過對(duì)玉米秸稈的三點(diǎn)彎曲、壓縮等試驗(yàn)測(cè)量計(jì)算出相關(guān)的物理接觸參數(shù)與相關(guān)力學(xué)參數(shù)。（3）查閱文獻(xiàn)，了解玉米秸稈粘結(jié)參數(shù)及碰撞恢復(fù)系數(shù)。（4）在SolidWorks中建立秸稈的雙層模型，之后在EDEM中建立秸稈Hertz-Mindlin(noslip)built-in粘結(jié)模型，依據(jù)得到的參數(shù)，建立Hertz-Mindlinwithbonding接觸模型并標(biāo)定參數(shù)。（5）將秸稈的離散元三維模型進(jìn)行彎曲、剪切、壓縮等實(shí)驗(yàn)仿真，將仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，修改粘結(jié)參數(shù)和接觸參數(shù)，直到獲得與作物秸稈在剪切彎曲、壓縮等試驗(yàn)中相似表象的離散元三維模型1.6技術(shù)路線1.7本章小結(jié)在本章中，主要介紹了玉米收獲機(jī)和秸稈揉碎機(jī)等機(jī)械在作業(yè)時(shí)的不足，同時(shí)表達(dá)了玉米秸稈離散元三維模型的建立對(duì)于上述機(jī)械的改進(jìn)和優(yōu)化具有一定的參考意義，進(jìn)而說明了建立離散元秸稈模型的背景和意義。隨后闡述了離散元法在國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和玉米秸稈在國內(nèi)外研究狀況，表現(xiàn)了國外學(xué)者對(duì)離散元秸稈模型有著較深的研究，已經(jīng)能模擬出與作物秸稈十分相似的離散元秸稈模型，而國內(nèi)的研究較少。最后確定了本文的研究方法和技術(shù)路線，對(duì)后續(xù)工作的展開提供了明確的方向和技術(shù)指導(dǎo)。2玉米秸稈實(shí)驗(yàn)2.1玉米秸稈物理特性測(cè)試2.1.1整根玉米秸稈尺寸與含水量測(cè)試用于測(cè)試力學(xué)性能試驗(yàn)的玉米秸稈取自四川省雅安市雨城區(qū)四川農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)場(chǎng)（北緯29。98′東經(jīng)103。）2021年秋收后玉米秸稈。玉米秸稈長軸、短軸、節(jié)長尺寸節(jié)數(shù)短軸mm長軸mm節(jié)長mm120.425.7168219.823.3204318.922.3239418.821.1245517.718.4214615.815.9200713.213.9190811.112.717599.310.6161109.110.2154本次含水量測(cè)試使用的是精度為0.01g的天平與型號(hào)為鼓風(fēng)干燥箱，根據(jù)GB/T6435—2006《飼料中水分和其他揮發(fā)性物質(zhì)含量的測(cè)定》所規(guī)定的含水率測(cè)試方法，在實(shí)驗(yàn)開始之前預(yù)先升高干燥箱的溫度直至106℃，將玉米秸稈放置于干燥箱中，干燥時(shí)間為4小時(shí)，取出干燥完成的秸稈稱重，然后再次干燥1小時(shí)，取出稱重，直到兩次結(jié)果的差值小于樣品總質(zhì)量的0.2%，則試驗(yàn)正確。應(yīng)用天平分別測(cè)量玉米秸稈放入前、放入后質(zhì)量[86～87]。測(cè)量三組，取平均值，測(cè)得含水量為16.28%。應(yīng)用游標(biāo)卡尺與天平測(cè)得整根玉米秸稈密度為113.4kg/m3。干燥前重量g干燥后重量g含水率%1106.0888.3816.68295.2578.4017.48391.7478.2514.702.1.2玉米秸稈外皮與內(nèi)瓤尺寸測(cè)試玉米秸稈截面形狀如圖14所示。秸稈的外皮呈現(xiàn)為圓環(huán)形，韌性好、厚度較小、機(jī)械強(qiáng)度高。利用游標(biāo)卡尺分別測(cè)量10根秸稈外皮的厚度，取然后平均值，從上到下第1節(jié)測(cè)量到第10節(jié)外皮厚度分別為1.2mm、1.3mm、1.3mm、1.4mm、1.4mm、1.5mm、1.6mm、1.7mm、1.8mm、2.0mm。玉米秸稈內(nèi)瓤較為蓬松，機(jī)械強(qiáng)度低，密度比較小，具有更大的可壓縮性。進(jìn)行建立玉米秸稈的離散元模型，需要通過壓縮、三點(diǎn)彎曲等力學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)算出其力學(xué)特性，其中力學(xué)參數(shù)標(biāo)定，需要涉及的參數(shù)包括，切向與法向剛度、粘結(jié)半徑與接觸半徑等等。2.2彎曲實(shí)驗(yàn)玉米秸稈彎曲力學(xué)特性測(cè)試為仿真標(biāo)定玉米秸稈離散元模型粘結(jié)力學(xué)參數(shù)提供依據(jù)。玉米秸稈彎曲試驗(yàn)過程中，利用的是電子萬能試驗(yàn)機(jī)。玉米秸稈彎曲試樣應(yīng)用角向磨光機(jī)切割，長度為150mm，彎曲夾具跨度為60mm玉米秸稈彎曲試驗(yàn)時(shí)，先將秸稈壓扁，秸稈外皮劈裂，當(dāng)彎曲夾具向下運(yùn)動(dòng)一定位移后，秸稈彎折斷裂，最大彎曲力出現(xiàn)在斷裂前一刻，斷裂后的彎曲力值變小。取粗度適中10根玉米秸稈進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，計(jì)算10組最大彎曲力平均值，試驗(yàn)測(cè)得玉米秸稈下部、上部彎曲過程中斷裂的最大力分別為240N、110N。2.3壓縮實(shí)驗(yàn)玉米秸稈離散元模型的粘結(jié)力學(xué)參數(shù)仿真標(biāo)定需要整根玉米秸稈壓縮實(shí)驗(yàn)提供依據(jù)，本次進(jìn)行了帶莖節(jié)段的秸稈段的橫向與縱向壓縮試驗(yàn)。本次樣本采用鋼鋸架配合鋸條進(jìn)行切割，在切割完成后，將秸稈段上下截面打磨平行，直到垂直于軸線。如果達(dá)不到與軸線垂直或平行的效果，則可能出現(xiàn)數(shù)個(gè)峰值以及峰值數(shù)值較小等實(shí)驗(yàn)誤差結(jié)果。應(yīng)用前文提到的CHT系列微機(jī)液壓萬能試驗(yàn)機(jī)，并安裝壓縮夾具進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)。整根玉米秸稈壓縮試驗(yàn)在微機(jī)液壓萬能試驗(yàn)機(jī)圖（）上進(jìn)行。取個(gè)體粗度與長度適中的10根玉米秸稈進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，計(jì)算10組最大壓縮力的平均值為最終結(jié)果。試驗(yàn)測(cè)得玉米秸稈下部、上部壓縮過程中斷裂最大值的平均值分別為2130N、960N。應(yīng)用玉米秸稈最大壓縮力與離散元仿真結(jié)果比較，為玉米秸稈離散元仿真參數(shù)標(biāo)定找到較優(yōu)參數(shù)組合。2.31橫向壓縮實(shí)驗(yàn)本次實(shí)驗(yàn)采用樣品長度為200mm玉米秸稈段的實(shí)驗(yàn)壓縮過程如圖（）所示。實(shí)驗(yàn)完成后，其中一次玉米秸稈壓縮實(shí)驗(yàn)的力-位移曲線結(jié)果如圖（）所示。2.32縱向壓縮實(shí)驗(yàn)2.4剪切試驗(yàn)對(duì)秸稈進(jìn)行剪切力學(xué)特性試驗(yàn)，能夠獲得秸稈多部位切向極限應(yīng)力，包括上下部外皮及內(nèi)瓤。通過微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行剪切試驗(yàn)，得到剪切斷裂過程中最大力值，根據(jù)最大受力與橫截面積計(jì)算得到剪切極限應(yīng)力。玉米秸稈內(nèi)瓤剪切試驗(yàn)過程與玉米秸稈外皮剪切試驗(yàn)過程相同。玉米秸稈外皮、內(nèi)瓤剪切試驗(yàn)應(yīng)用試件截面形狀為矩形，外皮剪切試件寬度為5mm~7mm，橫截面積為6mm2~12mm2；內(nèi)瓤剪切試件寬度為8mm~10mm，厚度為5mm~7mm。試驗(yàn)結(jié)果為：玉米秸稈下部外皮、玉米秸稈上部外皮和內(nèi)瓤的剪切極限應(yīng)力分別為1.243107Pa、7.94106Pa、3.9105Pa。青貯玉米秸稈外表皮因存在弧度，剪切過程中影響試驗(yàn)結(jié)果，因此處理樣品時(shí)將其均分為更小份數(shù)，選取平整樣品作剪切試驗(yàn)。通過控制器，校正質(zhì)構(gòu)儀力和高度。在試驗(yàn)方案中將剪切刀具位移速度設(shè)置為2mm·min-1。取5次平均值作為試驗(yàn)值，剪切試驗(yàn)過程見圖4，試驗(yàn)結(jié)果見表5。隨位移增加，剪切力逐漸上升后突然下降，此時(shí)剪切順序依次為維管束、皮層和表皮。隨維管束密度不斷增加，剪切力也增加，直至秸稈發(fā)生斷裂達(dá)到最大剪切力[19-20]。青貯玉米秸稈外表皮最大載荷為75.05N，剪切強(qiáng)度為77.23MPa，剪切模量為387.58MPa。青貯玉米秸稈內(nèi)穰的最大載荷為9.64N，剪切強(qiáng)度為10.71MPa，剪切模量為9.09MPa。玉米秸稈物理特性復(fù)雜，通過青貯玉米秸稈外表皮和內(nèi)穰拉伸、壓縮和剪切試驗(yàn)，結(jié)果表明玉米秸稈外表皮與內(nèi)穰拉伸彈性模量、壓縮強(qiáng)度和剪切模量均存在顯著差異，玉米秸稈外表皮主要有表皮和管束組織，其力學(xué)特性呈現(xiàn)各向異性，管束組織結(jié)合強(qiáng)度可分為軸向和徑向兩個(gè)方向，徑向?yàn)閳A弧形狀，容易折斷；軸向結(jié)合強(qiáng)度高為其主要力學(xué)特性之一。2.5本章小結(jié)本章測(cè)試了玉米秸稈本征參數(shù)、接觸參數(shù)和力學(xué)特性。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果為：（1）玉米秸稈本征參數(shù)測(cè)定結(jié)果玉米秸稈橫截面簡化為橢圓形，測(cè)量了用于建立玉米秸稈離散元模型各節(jié)的尺寸。自然風(fēng)干玉米秸稈無莖節(jié)部分含水率為8.822%，整根玉米秸稈密度為110.9kg/m3，玉米秸稈外皮、內(nèi)瓤密度分別為508kg/m3、40kg/m3。2）玉米秸稈接觸參數(shù)測(cè)定結(jié)果，主要是為揉碎離散元仿真提供了詳細(xì)的接觸參數(shù)信息，該仿真過程中的參數(shù)標(biāo)定提供了依據(jù)，最終結(jié)果顯示秸稈外皮與錘片、秸稈外皮平面這兩個(gè)測(cè)定方向中達(dá)到的靜摩擦因素，前者測(cè)定結(jié)果是0.324，后者測(cè)定結(jié)果是0.203，同時(shí)動(dòng)摩擦因素測(cè)定中，前者測(cè)定結(jié)果是0.108，后者測(cè)定結(jié)果是0.098，前者恢復(fù)系數(shù)數(shù)據(jù)是0.603，后者恢復(fù)系數(shù)數(shù)據(jù)是0.485。同時(shí)秸稈內(nèi)瓤與秸稈內(nèi)瓤平面、秸稈外皮平面、鋼等之間的靜摩擦因數(shù)具體測(cè)定數(shù)據(jù)計(jì)算值是0.495、0.427、0.375。動(dòng)摩擦因數(shù)具體測(cè)定數(shù)據(jù)計(jì)算值是0.138、0.120、0.125。撞碰撞恢復(fù)系數(shù)分別為0.292、0.387、0.361。3）玉米秸稈力學(xué)特性試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用秸稈沖擊斷裂特性試驗(yàn)機(jī)和微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試了玉米秸稈外基于離散元方法玉米秸稈揉碎機(jī)理與性能試驗(yàn)研究皮、內(nèi)瓤和整根秸稈的離散元參數(shù)標(biāo)定所需要的力學(xué)參數(shù)。根據(jù)玉米秸稈沖擊特性試驗(yàn)得到，建立玉米秸稈離散元仿真模型需要由3種材料組成，分別為秸稈內(nèi)瓤，秸稈上部外皮和秸稈下部外皮。玉米秸稈下部外皮、上部外皮和內(nèi)瓤的法向極限應(yīng)力分別為1.4182108Pa、1.1218108Pa、1.4106Pa；玉米秸稈下部外皮、上部外皮和內(nèi)瓤的切向極限應(yīng)力分別為1.243107Pa、7.94106Pa、3.9105Pa。整根玉米秸稈下部、上部的最大壓縮力分別為2130N、960N，最大彎曲力分別為240N、110N。玉米秸稈下部外皮、上部外皮、內(nèi)瓤彈性模量分別為8.288109Pa、6.356109Pa、1.664108Pa。3建立離散元三維模型3.1建立普通的玉米秸稈三維模型在建立秸稈的基礎(chǔ)三維模型時(shí)，為了保證在填充顆粒后進(jìn)行導(dǎo)出空間坐標(biāo)操作的穩(wěn)定性，避免用小顆粒替換大顆粒因坐標(biāo)問題無法進(jìn)行替換，所以應(yīng)在開始建立模型時(shí)將玉米秸稈模型中心放置于坐標(biāo)原點(diǎn)（0,0,0,），以此減少后續(xù)不必要的工作量，更快的建立模型與計(jì)算出仿真數(shù)據(jù)。本次玉米秸稈的基礎(chǔ)模型繪制利用SolidWorks軟件進(jìn)行繪制，將秸稈模型的直徑定為25.0mm，其中外表皮厚度為2.0mm，內(nèi)瓤厚度為23.0mm，整根秸稈長度定為200mm.，形狀為圓柱體。繪制時(shí)，先選擇XZ平面為基準(zhǔn)面，以原點(diǎn)（0,0）為圓心做一個(gè)半徑為11.5mm的圓，在做一個(gè)直徑25mm的同心圓。隨后用凸臺(tái)命令鏡像向基準(zhǔn)面兩側(cè)凸出100mm完成玉米秸稈基本模型的建立，之所以要將秸稈以XZ平面對(duì)稱平分建立，是因?yàn)檫@樣可以使小顆粒填充模型時(shí)的平整光滑和飽滿的程度更高。完成模型建立后利用標(biāo)尺測(cè)量獲得秸稈的體積為9.82*10-5m3。為了使顆粒工廠在幾何體中填充顆粒時(shí)能讓幾何體位移一段距離，達(dá)到壓縮填充顆粒的效果，應(yīng)在模型的X軸正半部分拉伸一段距離并在X軸負(fù)方向添加一段與拉伸長度相同的線性位移。因此，選擇X正半軸的圓面進(jìn)行抽殼，保留底部和側(cè)面厚度為0.1mm，以免導(dǎo)致玉米秸稈的普通模型10進(jìn)行填充后有較大誤差，最后在零件裝配界面兩次導(dǎo)入建立好的秸稈模型，保證坐標(biāo)的準(zhǔn)確，將兩個(gè)秸稈的模型以軸線為相合約束、以切割表面為接觸約束進(jìn)行裝配，獲得總長度為280mm的幾何體。最后保存為可以導(dǎo)入到軟件EDEM的stp格式，完成填充模型的建立。3.2玉米秸稈的Hertz-Mindlin(noslip)built-in無滑移力學(xué)模型建立由于玉米秸稈外皮層和內(nèi)瓤的力學(xué)性能差異巨大，因此不能簡單將其視為同性，利用有限元法進(jìn)行分析并不全面。因此，在建立玉米秸稈的離散元模型時(shí)，需要采用Hertz-Mindlinwithbonding（bonding模型）顆粒接觸模型。令兩個(gè)相鄰粒子產(chǎn)生平行粘結(jié)現(xiàn)象于接觸點(diǎn)處，平行耦合效應(yīng)相當(dāng)于分布在基本球形粒子橫截面上的一系列彈簧。圖接觸模型圖中Fi,b為顆粒A作用于顆粒B，Mbn、Msni、τi分別為法向和切向分量。LbAB重疊量；Rb。下圖為玉米秸稈模型。其中模型中橢圓界面長軸a的取值確定為25mm，與此同時(shí)短軸b的取值最終確定為22mm。長度l參考實(shí)體數(shù)據(jù)確定為150mm，秸稈密度參考實(shí)體數(shù)據(jù)最終確定是110.94kg/m3，圓球填充系數(shù)計(jì)算取值數(shù)據(jù)是0.856，由于本文所涉及離散元輸入?yún)?shù)數(shù)據(jù)取值來自于實(shí)體密度，因此將該項(xiàng)密度參數(shù)設(shè)置為189kg/m3，與此同時(shí)，也提供了非常詳細(xì)的離散元仿真材料本征參數(shù)設(shè)置，可見下表圖玉米秸稈離散元仿真模型表離散元仿真材料本征參數(shù)設(shè)置材料Material參數(shù)Parameter數(shù)值Value鋼剪切模量G1（Pa）7×1010泊松比v10.30密度ρ1（kg·m-3）7800玉米秸稈外表皮剪切模量G2（Pa）3.87×108泊松比v20.30密度ρ2（kg·m-3）1570玉米秸稈內(nèi)瓤剪切模量G3（Pa）8.13×106泊松比v30.40密度ρ3（kg·m-3）10603.3玉米秸稈的Hertz-Mindlinwithbonding粘結(jié)力學(xué)模型建立在本次仿真實(shí)驗(yàn)中，選用的是離散元軟件EDEM的Hertz-Mindlinwithbonding接觸模型，這種模型是在Mindlin與Hertz的基礎(chǔ)上融合了破碎與粘結(jié)的力學(xué)模型，其主要應(yīng)用場(chǎng)景就是物料破碎的離散元仿真。3.4本章小結(jié)4玉米秸稈離散元模型仿真試驗(yàn)4.1三點(diǎn)彎曲仿真實(shí)驗(yàn)三點(diǎn)彎曲模具幾何體建模三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)?zāi)＞哌x用圓形件彎曲模具，選擇在繪圖軟件SolidWorks中繪制。首先在XZ70121214026mmZXX13mmZX13。退出XZ所示，最后保存為stp格式。三點(diǎn)彎曲模具幾何體模型三點(diǎn)彎曲測(cè)試的模擬參數(shù)校準(zhǔn)打開建立的獨(dú)立元件結(jié)合模型的工作目錄，在幾何頁導(dǎo)入彎曲校正的幾何模型，將幾何