離散元法在農(nóng)業(yè)工程研究中的應(yīng)用現(xiàn)狀和展望

　　摘要:現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備數(shù)字化設(shè)計(jì)是農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域的主要研究方向之一，農(nóng)業(yè)機(jī)械與各類農(nóng)業(yè)物料的接觸作用及其對農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)工作的影響是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備數(shù)字化設(shè)計(jì)重要內(nèi)容和難點(diǎn)。離散元法是一種基于不連續(xù)性假設(shè)的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬方法。研究表明，離散元法可以用于仿真分析農(nóng)業(yè)散體物料與機(jī)械裝備間的相互作用關(guān)系，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備數(shù)字化設(shè)計(jì)提供了新手段，在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。本文對離散元法的基本概念、發(fā)展歷程及常見程序軟件進(jìn)行了概述，歸納分析了離散元法在模擬農(nóng)業(yè)土壤與農(nóng)業(yè)物料接觸時(shí)的模型確定及其參數(shù)標(biāo)定方法，重點(diǎn)闡述了各作業(yè)環(huán)節(jié)典型農(nóng)業(yè)機(jī)械的離散元法應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)。對基于離散元的數(shù)值模擬仿真及其工業(yè)化應(yīng)用推廣所面臨的主要問題進(jìn)行了分析和總結(jié)，指出通用參數(shù)標(biāo)定方法缺失和模型過度簡化是離散元法進(jìn)一步發(fā)展的制約因素，加強(qiáng)接觸模型和參數(shù)標(biāo)定的基礎(chǔ)研究工作，推動專業(yè)、通用的軟件平臺開發(fā)，提高計(jì)算機(jī)計(jì)算和存儲能力及改進(jìn)離散元算法結(jié)構(gòu)，從而提升模型計(jì)算效率將是今后的研究方向和工作重點(diǎn)。

　　關(guān)鍵詞:離散元法;農(nóng)業(yè)工程;參數(shù)標(biāo)定;綜述

　　0引言

　　目前，日益增長的高質(zhì)量農(nóng)產(chǎn)品需求對農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)提出了更高的要求。過去通用的理論分析和經(jīng)驗(yàn)公式與實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)情況差異性較大，并且農(nóng)作物季節(jié)性較強(qiáng)，設(shè)計(jì)的樣機(jī)田間試驗(yàn)時(shí)間也受限。伴隨著現(xiàn)代力學(xué)、數(shù)值方法與計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，一系列數(shù)值模擬軟件對農(nóng)業(yè)工程設(shè)計(jì)的輔助作用逐漸增強(qiáng)，計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)以其強(qiáng)大的優(yōu)越性和適用性引起越來越多農(nóng)機(jī)科研人員的關(guān)注和重視［1－3］。計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬仿真能夠一定程度上替代繁雜的田間試驗(yàn)，省時(shí)、省力，可精簡樣機(jī)試制流程，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，降低設(shè)計(jì)成本;其可視性好，可對動態(tài)工作過程進(jìn)行演示和仿真計(jì)算分析，為農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)提供詳實(shí)的直觀信息和關(guān)鍵數(shù)據(jù);還可對研究對象進(jìn)行多層面、多維度的深度探究，揭示宏觀實(shí)驗(yàn)的內(nèi)在機(jī)理，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備數(shù)字化設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

　　1離散元方法概述

　　1.1基本原理

　　離散元法又稱離散單元法，是一種用于模擬并分析散體介質(zhì)系統(tǒng)動力學(xué)行為的數(shù)值方法，其主要思想是將模擬介質(zhì)系統(tǒng)(理想情況下為散狀物料)看作為具有一定形狀及質(zhì)量的顆粒集合，并用邊界壁面表示機(jī)械工作部件，通過賦予顆粒之間及顆粒與邊界之間特定的接觸力學(xué)模型和參數(shù)，來考慮模擬介質(zhì)和工作部件不同的物理特性及其相互作用關(guān)系，然后給予一定的初始邊界條件，通過跟蹤各單顆粒的運(yùn)動，利用顆粒間、顆粒與邊界間碰撞產(chǎn)生的能量交換來預(yù)測顆粒群的詳細(xì)運(yùn)動過程，并揭示相應(yīng)的介質(zhì)-部件互作關(guān)系規(guī)律;其基本原理是牛頓第二定律結(jié)合不同的本構(gòu)關(guān)系以反映模擬介質(zhì)系統(tǒng)的特殊物理特性，通過動力松弛法以時(shí)間步長為單位進(jìn)行顯式有限差分迭代求解;其基本假設(shè)是在很短的時(shí)間步長內(nèi)，顆粒的速度和加速度為恒定值，顆粒的擾動只能傳遞給與之相鄰的顆粒，單個顆粒的形變量遠(yuǎn)小于整體介質(zhì)的變形，因此模型顆粒多為剛體，用接觸處的重疊量描述由接觸互作產(chǎn)生的形變量。其基本計(jì)算流程如圖1所示。首先定義顆粒、邊界、接觸模型及其初始化參數(shù)，然后以時(shí)間步長為單位對模型進(jìn)行迭代運(yùn)行，在每一個時(shí)間步長中，相鄰且有接觸作用的顆粒和邊界首先被確定，它們之間的接觸力由重疊量計(jì)算得到;接著計(jì)算顆粒所受合力和合力矩，并確定位移量和轉(zhuǎn)動量，更新顆粒的位置和朝向，用于下一時(shí)間步長的計(jì)算;重復(fù)這一步驟直至最后滿足用戶預(yù)設(shè)的迭代量或者迭代終止條件。

　　1.2發(fā)展歷程

　　1971年CUNDALL［7］提出適于巖石力學(xué)的離散元法，1979年CUNDALL等［8］又提出適用于土力學(xué)的離散元法，并推出二維圓盤程序BALL和三維圓球程序TRUBAL，其后分別發(fā)展成商業(yè)軟件PFC2D和PFC3D，形成較系統(tǒng)的模型與方法，被稱為軟顆粒模型。隨著PFC、EDEM等基于離散元法的商業(yè)軟件成功應(yīng)用，離散元技術(shù)在巖土工程、化工過程、地質(zhì)災(zāi)害、礦山工程、海洋工程、農(nóng)業(yè)工程、機(jī)械工程、大氣科學(xué)、醫(yī)療制藥、生命科學(xué)以及其他領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，有效地促進(jìn)了這些學(xué)科的發(fā)展。離散元法在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展可以分為以下幾個階段。

　　2接觸模型及參數(shù)標(biāo)定

　　2.1參數(shù)標(biāo)定簡介

　　農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域涉及的典型散體顆粒包括土壤散體顆粒和農(nóng)業(yè)物料顆粒。土壤顆粒受土壤種類和形態(tài)的影響性質(zhì)各異。農(nóng)業(yè)物料包括谷物種子、生物質(zhì)、飼料、肥料、果蔬等(如表1)。同種屬性的顆粒性質(zhì)不完全相同，不同屬性的顆粒性質(zhì)更是千差萬別。由于土壤顆粒和農(nóng)業(yè)物料一般為易吸濕介質(zhì)，其材料特性隨著含水量的變化而變化，相比礦物或金屬塑料等顆粒材料而言，其顆粒性質(zhì)更加復(fù)雜。因此，即使同種屬性的農(nóng)業(yè)物料顆粒的模型及參數(shù)仍需根據(jù)實(shí)際情況分別進(jìn)行建模和標(biāo)定，才能保證后續(xù)模擬研究的準(zhǔn)確性。

　　2.2土壤散體顆粒接觸模型及參數(shù)標(biāo)定

　　土壤在觸土部件的作用下，發(fā)生變形、破碎、移動、翻轉(zhuǎn)等一系列復(fù)雜行為。作為一種復(fù)雜的多相混合物，土壤在耕作過程中多表現(xiàn)出很強(qiáng)的離散特性，因此離散元法是分析外力作用下土壤動態(tài)行為變化過程的較理想方法。土壤特性可以分為物理特性、機(jī)械特性、動態(tài)特性等。在農(nóng)業(yè)工程范疇內(nèi)考慮較多的物理特性包括土粒密度、土壤容重、含水量和孔隙度;機(jī)械特性包括內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力、彈性模量、泊松比、抗剪強(qiáng)度、貫入阻力;動態(tài)特性包括土壤切削力和擾動特征。

　　3農(nóng)業(yè)工程研究領(lǐng)域中離散元法應(yīng)用現(xiàn)狀

　　現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械化作業(yè)一般包括耕整地、種植、田間管理和收獲等環(huán)節(jié)，作物收獲后的處理加工也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要一環(huán)，各環(huán)節(jié)中典型農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備與離散顆粒狀農(nóng)業(yè)物料的相互作用是影響其工作效率和作業(yè)性能的重要因素。不同部件的結(jié)構(gòu)、作業(yè)方式、作業(yè)對象各不相同，因此對其進(jìn)行性能優(yōu)化的方式方法也不盡相同。表2列舉了基于離散元法的典型農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例。

　　3.1耕整地機(jī)械

　　耕整地過程是各類耕作機(jī)具的觸土部件對土壤進(jìn)行松動、翻轉(zhuǎn)、破碎、移動等一系列作用效果的過程，為農(nóng)作物的播種作業(yè)和出苗生長創(chuàng)造有利的條件，此過程能量消耗巨大，往往占到總農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能耗的一半及以上。農(nóng)業(yè)土壤與觸土部件間的相互作用規(guī)律是設(shè)計(jì)、選擇、使用和調(diào)試耕作機(jī)具的基礎(chǔ)，研究土壤和觸土部件間的互作規(guī)律即是研究它們之間的相互作用力和作用效果，作用效果包括土壤受力后的運(yùn)動規(guī)律以及機(jī)具的磨損變形程度。

　　3.2種植機(jī)械

　　種植機(jī)械包括播種機(jī)械和移栽機(jī)械兩大類，主要功能為將籽?；蛘叻N苗精準(zhǔn)定量地放入土壤中預(yù)先設(shè)定的位置，由仿形、開溝、排種、導(dǎo)種、覆土、鎮(zhèn)壓等多個關(guān)鍵工作部件組合構(gòu)成，精密種植技術(shù)要求仿形機(jī)構(gòu)靈活平穩(wěn)、開溝器開溝深度穩(wěn)定溝形一致、排種器不漏不重、導(dǎo)種器投送均勻性好、覆土器覆土均勻穩(wěn)定、鎮(zhèn)壓器壓力適當(dāng)且一致，明確排種器和導(dǎo)種器與種子的互作機(jī)理，其他部件與土壤的互作機(jī)理是優(yōu)化設(shè)計(jì)種植機(jī)械的先決條件。相關(guān)學(xué)者主要應(yīng)用離散元法對各種排種器的結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)進(jìn)行仿真優(yōu)化。

　　4發(fā)展趨勢

　　離散元法在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域中的應(yīng)用對提高農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備研究和設(shè)計(jì)水平，縮短研發(fā)周期，節(jié)省試驗(yàn)成本，提高成品的工作性能和使用壽命等具有重大意義。如何加快推進(jìn)離散元模擬仿真技術(shù)全方位走向工業(yè)應(yīng)用，成為農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)者常規(guī)使用的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法和數(shù)值計(jì)算分析方法，是下一階段需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。MARIGO等［146］指出缺乏有效準(zhǔn)確的模型參數(shù)確定方法是制約離散元法在工業(yè)設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用的最主要原因，其次模型中顆粒的尺寸、形狀和數(shù)量等也是重要的限制條件。

　　展望

　　隨著農(nóng)業(yè)科技進(jìn)步和發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要功能更多、效率更高、生產(chǎn)成本更低的農(nóng)業(yè)機(jī)械。離散元法在農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)和虛擬試驗(yàn)中發(fā)揮著極為重要的作用，目前已經(jīng)成為解決與散粒體相關(guān)的問題主要研究方法之一，凡涉及顆粒流動、破碎、混合等現(xiàn)象的應(yīng)用都可以采用離散元法得到較好的仿真分析結(jié)果。總體上，離散元法作為一種基于不連續(xù)理論的數(shù)值模擬方法，實(shí)踐證明可以廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域的許多方面，如何提高模擬方法的通用性、仿真結(jié)果的精準(zhǔn)性以及提高模型計(jì)算效率，是未來離散元法及其應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展趨勢，具體包括:

　　(1)由于計(jì)算時(shí)間和計(jì)算機(jī)性能的限制，建模過程中簡化的圓球顆粒并不足以彌補(bǔ)顆粒物料形狀差異所產(chǎn)生的偏差。未來應(yīng)繼續(xù)深入研究物料特性的微觀參數(shù)，從逼近真實(shí)物料特性的角度進(jìn)行考量，重點(diǎn)分析顆粒間的接觸與脫離，存在的相互運(yùn)動、接觸力與能量的聯(lián)系，構(gòu)建完善的顆粒體接觸模型以表征顆粒體間的力學(xué)關(guān)系。

　　(2)離散元數(shù)值模擬能直觀展示設(shè)備實(shí)際的工作情況，極大地提高了優(yōu)化改進(jìn)的工作效率。進(jìn)一步推動適用于農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域?qū)嶋H問題，基于離散元法的專業(yè)通用軟件平臺的開發(fā)具有重要的意義，該平臺的成熟應(yīng)用將解決現(xiàn)有軟件存在的針對性不足和仿真結(jié)果跨平臺通用性差等問題，為解決眾多農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)研究中涉及顆粒和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜向題，提供了一個高效的工具。

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　　曾智偉1馬旭1曹秀龍1李澤華2王曦成1

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