基于离散单元法的玉米秸秆仿真模型建立及参数标定

摘要：无论是机收中分离玉米果穗和玉米秸秆，亦或是收获前使用刀片分割玉米秸秆，玉米秸秆的物理特性都是在机收作业中不可或缺的重要因素，甚至在生产收获的其他环节中，例如秸秆还田以及加工饲料的粉碎及揉碎等过程，无一不体现着秸秆物理接触性能的重要性。所以实验测量出玉米秸秆的物理接触特性并且针对秸秆内瓤与表皮物理特性差异巨大的问题建立一个精准的玉米秸秆的双层粘结三维模型对研发玉米机收机械具有十足重要的意义。本文通过对秸秆的压缩、剪切、三点弯曲等试验测量计算出相关力学特性，采用SolidWorks建立其基本三维模型，利用EDEM软件对模型各种参数进行标定，包括粘结与接触等，并完成多项针对性仿真实验，包括压缩、剪切、三点弯曲等，并保持对参数的动态优化，最终获得高真实度的离散元三维模型，为之后的秸秆揉碎机等相关设备研发提供较为实用的参考数据。

关键词：玉米秸秆；接触参数；粘结参数；离散元

1 前言

1.1研究背景及意义

作为粮食作物的主要农副产品，玉米秸秆是工农业生产中不可或缺的关键生物质资源。作为畜牧业饲料的主要原材料，其营养成份相当丰富，通过实验研究的证明，秸秆中含有多种营养物质，其中包括磷、氮、有机质、碳水化合物、钾、蛋白质、脂肪等。其中，糖类的总含量达到了百分之三十，有机质的含量也超过了百分之十五，如何高效节能的回收利用玉米秸秆现已经成为解决工农业生产原材料、能源紧缺以及加工动物饲料紧缺问题的一大关键。在利用其的过程中，要充分发挥好秸秆资源的可再生属性，并以此激发出更广阔的经济与生态价值效益，大幅度的减少人类生产制造活动对大自然的影响与危害，形成资源循环合理利用的新局面[1]。我国大江南北的玉米秸秆生产总量非常丰富，玉米虽然作为我国的三大最主要的粮食作物之一，但是就目前的秸秆开发现状而言，其开发利用率依旧是差强人意，玉米秸秆的利用率不高。通过几年的发展，伴随着种植技术的发展与机械化程度的不断深化，玉米的产量取得了大跨步的提升成果，农民获得更好的经济效益，与此同时秸秆作为农业生产的剩余生物材料资源，海量的玉米秸秆回收利用途径也受到了社会各界的广泛关注。秸秆资源目前也已经开发出多方面用途，其中用于还田类的，占比约为30.2%，用于饲料制作类的，占比约为26.2%，用于燃料用途的，占比约为24.4%。其中东北春玉米区秸秆用途的详细数据为，其中燃料用途的，占比达到34.7%，饲料制作类用途的，占比约为30.8%，还田用途的，占比也有19.8%，这些用途类型都比焚烧和工业原料两个用途占比更高[2]。玉米种植极为广泛和普遍，从海拔数千米的高原到一些洼地平原等都在种植，目前全球玉米种植规模已经达到了1.3亿h㎡，玉米主要种植过包括了巴西、美、中，还有另一个种植大国阿根廷等，从全球主粮种植面积来看，玉米排名第三，同时在全球主粮占比中也达到了20%。因此，玉米种植对一国粮食安全具有重要意义，让玉米收获实现机械化，对提高玉米种植效率，降低人工劳动负担等都具有积极影响[3]。虽然我国是全球排名潜力的玉米产出国，但现阶段玉米机械收获占比还是处在较低水平，这包含了以下几点

原因。一是国内玉米标准化种植推行力度不强，行距差异较大，让玉米收获机始终难以达到预期质量要求[4]。二是由于售价较高以及投资成本回收周期较长，导致市场占有率较低。例如乌克兰赫尔松康拜因制造公司、河北省农机化所与藁城联合收获机厂三家公司与科研机构共同联手研发的富路牌4YZ-3型玉米联合收获机，虽然其机具在执行农耕作业时所表现出来机体性能与耕作质量比较一般，但因为农民在使用时的稳定性与可靠性较高，整体上获得了大部分用户的青睐。然而，因为其高昂的售价与漫长的研发资金回笼时间由于，所以并未获得较高的市场占有量。三是由于机收玉米子粒破损率以及果穗损失率难以保持相对较低的水平符合行业标准。从1980年一份报告可知，当年河北省栾城县进行了一次机械化收获实验，其中利用了1440型玉米联合收获机，但并没有取得令人满意的实验结果，玉米粒破碎率经过测算后达到14%，总损失率也非常惊人，统计有20%。因此就需要对玉米秸秆进行物理性质上的研究以对玉米收获机的研究及发展提供一定的理论依据。而利用离散元法对玉米秸秆进行仿真模拟试验可以有效地模拟其物理性质。

1.2 国内外研究现状

1.2.1国内玉米秸秆揉碎机研究现状

秸秆揉碎机作业过程为：整根秸秆由进料口喂入揉碎室，经过动刀切割、锤片击打、齿板齿条碰撞等过程，将整根秸秆加工为丝状粗饲料，由抛送叶板抛出。近年来，较多学者研究了玉米秸秆揉碎机理。

秸秆揉碎机（也称秸秆揉丝机）在我国发展较晚，20 世纪 80 年代开始，内蒙 古、黑龙江、新疆、河北、河南等一些省、自治区开发研制了秸秆饲草揉碎机。早期以中小机型为主，近几年以大中机型为主，自动化作业比例不断提高。其中具有代表性由小到大的机型包括： 陕西秦原生物责任有限公司研制的 9RC-30 型秸秆揉碎机，如图 1 所示。该机型具有揉碎和粉碎功能，可将秸秆等作物茎秆揉碎成丝状，提高家畜的适口性。

内蒙古农业大学研制的 9R-40 型秸秆揉碎机，能够将秸秆、藤蔓、牧草等长纤维农业物料加工成一定长度丝状物料。该机配套动力为 7.5~11 kW，转子直径为 400 mm，转子转速为 2750~2800 r/min，生产率为 1 t/h，度电产量为 100~110 kg/kWh。

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图 1 9RC-30 型秸秆揉碎机

国内学者普遍将揉碎室内玉米秸秆简化为质点，从冲击作用过程、能量转化、轴向推移运动和气流场规律的角度分析了玉米秸秆揉碎机理。由于揉碎室内每一段玉米秸秆的质量、运动方向、运动速度、碰撞角度差异较大，将玉米秸秆简化为质点分析具有一定局限性。并未定量分析玉米秸秆群运动、碰撞和破碎过程。如何定量分析玉米秸秆揉碎机理，是优化揉碎机结构、降低能耗的主要问题。

1.2.2国外玉米秸秆揉碎机研究现状

目前国外在秸秆揉碎机应用方面较国内领先一步，主要以大型秸秆机械为主，且已经实现了一定标准化种植，因此该类机械设备自动化和通用性都较为出色，另外该领域还大量使用饲草加工机械，且动力强劲，多数都超过75kW。其中 JONHAN DEER 公司向市场推出了一款立轴式饲草揉丝机，具有非常优秀的生产率表现，每小时能处理4吨草料，功率达到50kw。丹麦多农公司也推出了一款专业化的饲草加工机组，性能较为优越，即“多农805”，主要用于秸秆揉碎作业；皮里氏登公司研发了一款饲草粉碎机，作业效率能够达到每小时4到5吨，这就是皮里氏登100 型。另外值得一提的还有库恩公司向市场推出的 Euromix 饲草揉碎机，该设备外形见图2，动力非常强劲，达到91kw，同时还提供了一个超大容量的料仓，达到27m³，具有自动取料、卸料等操作。

　　图 2Euromix 型立式饲草加工机械

1.2.3国内离散元方法研究现状

离散元法(Discrete Element Method, DEM)是由Pater Cundall院士提出，公开时间是在1971年，该方法是建立在分子动力学基础之上的，其基本原理思路是对不连续体进行分离处理，并将之促成为一种刚性元素结合，并让其能够适用运动方程，为了获取这一方程，其中会利用到时步迭代方案，从而最终能够反映不连续体运动形态。该方法框架下，就是把介质进行解析，将之描述为一系列离散单元，并根据其本身离散特性而进行数学建模，也就是将被分析对象当成一些离散颗粒的集合。

我国离散元方法的研究开始于20世纪80年代，王泳嘉引入Cundall的离散元法进行岩石力学和颗粒系统的模拟[12]。近年来也有众多学者应用离散元方法模拟了玉米秸秆运动过程。如王韦韦等学者用EDEM软件建立了无支撑秸秆全覆盖土壤离散元模型，对传统玉米免耕播种机一些不足提供了有效解决路径，如多次下田作业情况，或开沟作业失误率高等问题。

1.2.2国外离散元方法研究现状

离散元法（DEM）的提出者是CUNDALL，本质上就是一种数值模拟法，主要面向的问题对象是非连续介质问题，其构建理论来源是基于不同本构关系的第二定律，涉及方程求解的过程，一般采用的是动态松弛法。自该方法面世以来，就持续不断进行完善，目前在散体物料处理方面获得了较大的成功，但是目前在筛分领域还处在适应期。而EDEM软件则是一种基于离散元法而构建的通用CAE软甲，也是该领域首个软件，能够提供颗粒系统仿真及分析等多项功能，能够便捷化构建相应参数模型，并在其中自由度较高的进行颗粒各项力学、物理等方面性质参数的添加或调整。通过该软件，能够快速得到一个颗粒系统模型，该模型中还有一个接触模型，其面向的是物料破碎仿真领域，其实现原理是进行粒子粘结，其中利用了有限尺度、粘结剂等软件工具，该种粘结模式能够形成一定机械强度，只有满足极限应力条件时这种结构才会被破坏，此时粘结力将消失。因此该接触模型可以直接用来当做秸秆模型，能够让模型效果接近实际秸秆接触性能，且能够进行各种参数调节，因此能够在各种条件下进行压缩、弯曲等项仿真实验，从而构建与真实秸秆物理性能高度接近的三维模型。并以此为后续学者在玉米收获机、秸秆粉碎机等相关机械的研究和改进提供一定的理论上的参考依据。

1989年英国Aston大学Thornton引入Cun-dan的TuRBAL程序，并立足于颗粒接触模型，对其进行了升级与改造，最终形成了一个新版本，即TRUBAL-Aston版，后来又将其改名为GRANuLE。其中深入融入了弹塑性圆球接触力学原理，因此能够对多种问题或条件进行贴近真实性的模拟，如弹性-塑性、两相流等。学界也在持续推动颗粒离散元法的深入探讨与持续发展，法国很多研究者与机构进行了多方面的散体实验，并取得较大成果，其中在DEM分析中使用PFC-ZD/3D是一项重要成果，还有Radjia等[15]也进行了类似探索。日本也有很多学术机构或团体在进行散体细观力学研究并取得诸多成果，如颗粒技术学会、日本科学促进会、基础工程学会等，并多次组织美日散体力学领域的专题学术会议等。其他较知名的研究者还有aSitama大学的Oda，东北大学的Satake和Kishino，大坂大学的Tsuji和aTanka等人。oda等编写了很多关于散体力学领域的论著。

1.3研究内容

（1）玉米秸秆的力学参数的获取

（2）获取秸秆三维模型的坐标

（3）玉米秸秆三维模型参数标定

对玉米秸秆的三维模型进行本征参数标定，分别是剪切模量、泊松比、密度；对玉米 秸秆的三维模型进行物理接触参数标定，有玉米秸秆之间的恢复系数、动静摩擦因数等，还有玉米秸秆对钢的恢复系数、动静摩擦因素；另外对秸秆粘结参数也需要给予确定，利用的有法向与切向刚度系数、粘结半径、临界法向与切向应力等，借此获得相关离散元模型。

（4）对秸秆模型进行仿真实验

（5）修正模型参数

1.4研究目标

(1)对玉米秸秆进行弯曲、三点挤压等试验，测出其物理特性及力学参数

(2) 以玉米秸秆为模拟对象，构建相应的离散元三维模型，进行参数标定，让模型与实体物理特性具备高度近似性。

(3) 得到的离散元三维模型，能够进行相应的仿真实验，包括压缩、弯曲等。

(4) 本文所构建的玉米秸秆模型能够为相关收获机，粉碎机的研发提供一定数据参考。

1.5研究方法

（1）首先测算出玉米秸秆的含水率、堆积角等物理参数。

（2）通过对玉米秸秆的三点弯曲、压缩等试验测量计算出相关的物理接触参数与相关力学参数。

（3）查阅文献，了解玉米秸秆粘结参数及碰撞恢复系数。

（4）在 SolidWorks中建立秸秆的双层模型，之后在 EDEM 中建立秸秆 Hertz-Mindlin (no slip)built-in 粘结模型，依据得到的参数，建立 Hertz-Mindlin with bonding 接触模型并标定参数。

（5）将秸秆的离散元三维模型进行弯曲、剪切、压缩等实验仿真，将仿真实验结果与现实实验进行对比，修改粘结参数和接触参数，直到获得与作物秸秆在剪切弯曲、压缩等试验中相似表象的离散元三维模型

1.6技术路线

　　1.7本章小结

在本章中，主要介绍了玉米收获机和秸秆揉碎机等机械在作业时的不足，同时表达了玉米秸秆离散元三维模型的建立对于上述机械的改进和优化具有一定的参考意义，进而说 明了建立离散元秸秆模型的背景和意义。随后阐述了离散元法在国内外研究现状和玉米秸秆在国内外研究状况，表现了国外学者对离散元秸秆模型有着较深的研究，已经能模拟出与作物秸秆十分相似的离散元秸秆模型，而国内的研究较少。最后确定了本文的研究方法和技术路线，对后续工作的展开提供了明确的方向和技术指导。

2玉米秸秆实验

2.1玉米秸秆物理特性测试

2.1.1整根玉米秸秆尺寸与含水量测试

用于测试力学性能试验的玉米秸秆取自四川省雅安市雨城区四川农业大学农场（北纬29。98′东经103。）2021年秋收后玉米秸秆。

玉米秸秆长轴、短轴、节长尺寸

本次含水量测试使用的是精度为0.01g的天平与型号为鼓风干燥箱，根据GB/T 6435—2006《饲料中水分和其他挥发性物质含量的测定》所规定的含水率测试方法，在实验开始之前预先升高干燥箱的温度直至 106 ℃，将玉米秸秆放置于干燥箱中，干燥时间为 4 小时，取出干燥完成的秸秆称重，然后再次干燥1小时，取出称重，直到两次结果的差值小于样品总质量的 0.2%，则试验正确。应用天平分别测量玉米秸秆放入前、放入后质量[86～87]。测量三组，取平均值，测得含水量为16.28%。应用游标卡尺与天平测得整根玉米秸秆密度为113.4kg/m3。

2.1.2玉米秸秆外皮与内瓤尺寸测试

玉米秸秆截面形状如图 14 所示。秸秆的外皮呈现为圆环形，韧性好、厚度较小、机械强度高。利用游标卡尺分别测量10 根秸秆外皮的厚度，取然后平均值，从上到下第1节测量到第10节外皮厚度分别为 1.2mm、1.3 mm、1.3mm、1.4mm、1.4mm、1.5mm、1.6mm、 1.7mm、1.8mm、2.0mm。玉米秸秆内瓤较为蓬松，机械强度低，密度比较小，具有更大的可压缩性。

　　进行建立玉米秸秆的离散元模型，需要通过压缩、三点弯曲等力学实验测算出其力学特性，其中力学参数标定，需要涉及的参数包括，切向与法向刚度、粘结半径与接触半径等等。

2.2弯曲实验

玉米秸秆弯曲力学特性测试为仿真标定玉米秸秆离散元模型粘结力学参数提 供依据。玉米秸秆弯曲试验过程中，利用的是电子万能试验机。玉米秸秆弯曲试样应用角向磨光机切割，长度为 150 mm，弯曲夹具跨度为 60 mm玉米秸秆弯曲试验时，先将秸秆压扁，秸秆外皮劈裂，当弯曲夹具向下运动一 定位移后，秸秆弯折断裂，最大弯曲力出现在断裂前一刻，断裂后的弯曲力值变小。取粗度适中 10 根玉米秸秆进行弯曲试验，计算 10 组最大弯曲力平均值，试验测得玉米秸秆下部、上部弯曲过程中断裂的最大力分别为 240 N、110 N。

　　2.3压缩实验

玉米秸秆离散元模型的粘结力学参数仿真标定需要整根玉米秸秆压缩实验提供依据，本次进行了带茎节段的秸秆段的横向与纵向压缩试验。本次样本采用钢锯架配合锯条进行切割，在切割完成后，将秸秆段上下截面打磨平行，直到垂直于轴线。如果达不到与轴线垂直或平行的效果，则可能出现数个峰值以及峰值数值较小等实验误差结果。应用前文提到的CHT系列微机液压万能试验机，并安装压缩夹具进行压缩实验。整根玉米秸秆压缩试验在微机液压万能试验机图（）上进行。 取个体粗度与长度适中的 10 根玉米秸秆进行压缩试验，计算10 组最大压缩力的平均值为 最终结果。试验测得玉米秸秆下部、上部压缩过程中断裂最大值的平均值分别为 2130 N、960 N。应用玉米秸秆最大压缩力与离散元仿真结果比较，为玉米秸秆离散元仿真参数标定找到较优参数组合。

2.31横向压缩实验

本次实验采用样品长度为200mm玉米秸秆段的实验压缩过程如图（）所示。实验完成后，其中一次玉米秸秆压缩实验的力-位移曲线结果如图（）所示。

　　2.32纵向压缩实验

　　2.4剪切试验

对秸秆进行剪切力学特性试验，能够获得秸秆多部位切向极限应力，包括上下部外皮及内瓤。通过微机控制电子万能试验机进行剪切试验，得到剪切断裂过程中最大力值，根据最大受力 与横截面积计算得到剪切极限应力。玉米秸秆内瓤剪切试验过程与玉米秸秆外皮剪切试验过程相同。玉米秸秆外皮、内瓤剪切试验应用试件截面形状为矩形，外皮剪 切试件宽度为 5 mm~7 mm，横截面积为 6 mm 2 ~12 mm2；内瓤剪切试件宽度为 8 mm~10 mm，厚度为 5 mm~7 mm。试验结果为：玉米秸秆下部外皮、玉米秸秆上部外皮和内瓤的剪切极限应力分别为 1.243´107 Pa、7.94´106 Pa、3.9´105 Pa。

青贮玉米秸秆外表皮因存在弧度，剪切过程 中影响试验结果，因此处理样品时将其均分为 更小份数，选取平整样品作剪切试验。通过控 制器，校正质构仪力和高度。在试验方案中将 剪切刀具位移速度设置为2 mm·min-1。取5次平均 值作为试验值，剪切试验过程见图 4，试验结果 见表5。 随位移增加，剪切力逐渐上升后突然下降， 此时剪切顺序依次为维管束、皮层和表皮。随维 管束密度不断增加，剪切力也增加，直至秸秆发 生断裂达到最大剪切力[19-20]。青贮玉米秸秆外表皮 最大载荷为75.05 N，剪切强度为77.23 MPa，剪切模量为 387.58 MPa。青贮玉米秸秆内穰的最大载荷为 9.64 N，剪切强度为 10.71 MPa，剪切模量为 9.09 MPa。玉米秸秆物理特性复杂，通过青贮玉米秸秆 外表皮和内穰拉伸、压缩和剪切试验，结果表明 玉米秸秆外表皮与内穰拉伸弹性模量、压缩强度 和剪切模量均存在显著差异，玉米秸秆外表皮主 要有表皮和管束组织，其力学特性呈现各向异性，管束组织结合强度可分为轴向和径向两个方向，径向为圆弧形状，容易折断；轴向结合强度高为其主要力学特性之一。

2.5本章小结

　　本章测试了玉米秸秆本征参数、接触参数和力学特性。试验测试结果为：

（1）玉米秸秆本征参数测定结果玉米秸秆横截面简化为椭圆形，测量了用于建立玉米秸秆离散元模型各节的尺寸。自然风干玉米秸秆无茎节部分含水率为 8.822 %，整根玉米秸秆密度为 110.9 kg/m3，玉米秸秆外皮、内瓤密度分别为 508 kg/m3、40 kg/m3。

2）玉米秸秆接触参数测定结果，主要是为揉碎离散元仿真提供了详细的接触参数信息，该仿真过程中的参数标定提供了依据，最终结果显示秸秆外皮与锤片、秸秆外皮平面这两个测定方向中达到的静摩擦因素，前者测定结果是0.324，后者测定结果是0.203，同时动摩擦因素测定中，前者测定结果是0.108，后者测定结果是0.098，前者恢复系数数据是0.603，后者恢复系数数据是0.485。同时秸秆内瓤与秸秆内瓤平面、秸秆外皮平面、钢等之间的静摩擦因数具体测定数据计算值是 0.495、0.427、0.375。动摩擦因数具体测定数据计算值是 0.138、0.120、0.125。撞碰撞恢复系数分别为 0.292、0.387、0.361。

3）玉米秸秆力学特性试验结果 应用秸秆冲击断裂特性试验机和微机控制电子万能试验机测试了玉米秸秆外基于离散元方法玉米秸秆揉碎机理与性能试验研究皮、内瓤和整根秸秆的离散元参数标定所需要的力学参数。根据玉米秸秆冲击特性试验得到，建立玉米秸秆离散元仿真模型需要由 3 种材料组成，分别为秸秆内瓤，秸秆上部外皮和秸秆下部外皮。玉米秸秆下部外皮、上部外皮和内瓤的法向极限应力分别为 1.4182´108 Pa、1.1218´108 Pa、1.4´106 Pa；玉米秸秆下部外皮、上部外皮和内瓤的切向极限应力分别为 1.243´107 Pa、7.94´106 Pa、3.9´105 Pa。整根玉米秸秆下部、上部的最大压缩 力分别为 2130 N、960 N，最大弯曲力分别为 240 N、110 N。玉米秸秆下部外皮、上部外皮、内瓤弹性模量分别为 8.288´109 Pa、6.356´109 Pa、1.664´108 Pa。

3建立离散元三维模型

3.1建立普通的玉米秸秆三维模型

在建立秸秆的基础三维模型时，为了保证在填充颗粒后进行导出空间坐标操作的稳定性，避免用小颗粒替换大颗粒因坐标问题无法进行替换，所以应在开始建立模型时将玉米秸秆模型中心放置于坐标原点（0,0,0,），以此减少后续不必要的工作量，更快的建立模型与计算出仿真数据。本次玉米秸秆的基础模型绘制利用SolidWorks软件进行绘制，将秸秆模型的直径定为25.0mm，其中外表皮厚度为2.0mm，内瓤厚度为23.0mm，整根秸秆长度定为200mm.，形状为圆柱体。绘制时，先选择XZ平面为基准面，以原点（0,0）为圆心做一个半径为11.5mm的圆，在做一个直径25mm的同心圆。随后用凸台命令镜像向基准面两侧凸出100mm完成玉米秸秆基本模型的建立，之所以要将秸秆以XZ平面对称平分建立，是因为这样可以使小颗粒填充模型时的平整光滑和饱满的程度更高。完成模型建立后利用标尺测量获得秸秆的体积为9.82*10-5m3。为了使颗粒工厂在几何体中填充颗粒时能让几何体位移一段距离，达到压缩填充颗粒的效果，应在模型的X轴正半部分拉伸一段距离并在X轴负方向添加一段与拉伸长度相同的线性位移。因此，选择X正半轴的圆面进行抽壳，保留底部和侧面厚度为0.1mm，以免导致玉米秸秆的普通模型10进行填充后有较大误差，最后在零件装配界面两次导入建立好的秸秆模型，保证坐标的准确，将两个秸秆的模型以轴线为相合约束、以切割表面为接触约束进行装配，获得总长度为280mm的几何体。最后保存为可以导入到软件EDEM的stp格式，完成填充模型的建立。

3.2玉米秸秆的 Hertz-Mindlin (no slip)built-in 无滑移力学模型建立

由于玉米秸秆外皮层和内瓤的力学性能差异巨大，因此不能简单将其视为同性，利用有限元法进行分析并不全面。因此，在建立玉米秸秆的离散元模型时，需要采用Hertz-Mindlin with bonding （bonding 模型）颗粒接触模型。令两个相邻粒子产生平行粘结现象于接触点处，平行耦合效应相当于分布在基本球形粒子横截面上的一系列弹簧。

图接触模型

图中Fi,b为颗粒A作用于颗粒B上合力（N）， Mbn、M s分别为法向、切向力矩（N）； ni、τi分别为法向和切向分量。Lb为颗粒 A 与颗粒 B 重叠量（mm）；Rb为粘结键半径（mm）。下图为玉米秸秆模型。其中模型中椭圆界面长轴a的取值确定为25mm，与此同时短轴b的取值最终确定为22mm。长度l参考实体数据确定为150mm，秸秆密度参考实体数据最终确定是110.94kg/m3，圆球填充系数计算取值数据是0.856，由于本文所涉及离散元输入参数数据取值来自于实体密度，因此将该项密度参数设置为189kg/m3，与此同时，也提供了非常详细的离散元仿真材料本征参数设置，可见下表

　　图 玉米秸秆离散元仿真模型

　　表离散元仿真材料本征参数设置

3.3 玉米秸秆的 Hertz-Mindlin with bonding 粘结力学模型建立

在本次仿真实验中，选用的是离散元软件EDEM的Hertz-Mindlin with bonding接触模型，这种模型是在Mindlin与Hertz的基础上融合了破碎与粘结的力学模型，其主要应用场景就是物料破碎的离散元仿真。

3.4本章小结

4玉米秸秆离散元模型仿真试验

4.1 三点弯曲仿真实验

三点弯曲模具几何体建模三点弯曲试验模具选用圆形件弯曲模具，选择在绘图软件 SolidWorks中绘制。首先在 XZ平面中建立支撑夹具，夹具间隔选择 70 mm，直径选用 12 mm，然后建立压头的几何模型，模型直径为 12 mm。因为设置颗粒工厂为长 140 mm，宽和高为 26 mm 的长方体，为了减少工作时间和计算量，应尽量减小弯曲模具与颗粒工厂之间的距离，因此夹具几何体模型以 Z 轴对称，在 X 轴下方距离 X 轴 13 mm 处，压头则在 Z 轴正半轴上，距离 X 轴 13 mm。退出XZ 平面后选择凸台命令进行拉伸，选中对称选项后更改拉伸距离，确认后完成三点弯曲试验模具几何体模型的建模如图所示，最后保存为stp 格式。

　　三点弯曲模具几何体模型

三点弯曲测试的模拟参数校准打开建立的独立元件结合模型的工作目录，在几何页导入弯曲校正的几何模型，将几何模型的材料作为钢，向上侧的压头模型应用向下的线性位移。在多重测试中，由于发现位移速度不影响模拟测试的精度，所以将压头模型的速度设为0.1m/s的indenter模型的开始时间必须在接合时间之后，因此开始时间设定为0.04s的压头模的轴和支撑模的轴之间的垂直距离为44mm压头的行程为40mm，压头模型的结束时间为0.44s

在仿真实验室中需设置较小的时间步长，以免不生成大颗粒或者在替换后引起小颗粒的爆炸导致无法仿真，设置时间步长为 1×10-6，网格大小为 3倍的颗粒大小即可开始仿真。

开始后，Whole 大颗粒在颗粒工厂生成，在 0.0395 秒时替换为小颗粒组成的粘结模型；在 0.0396 秒时小颗粒之间产生粘结属性，生成粘结键；0.04 秒时上压头开始加载，向下位移。随着时间推移，秸秆模型因为压头的做功发生弯曲，部分粘结键发生破裂，导致秸秆和压头之间、秸秆和支撑之间发生有轻微形变，但是与作物秸秆在弯曲实验中的表象相似，秸秆模型随时间产生的弯曲形变的曲线变化趋势也与作物秸秆在实验中产生的弯曲形变的曲线变化趋势类似。

4.2压缩仿真实验

对秸秆模型分别进行单轴径向与轴向压缩，设置上压缩板以速度为2mm·min-1匀速向下运动。因接触模型采用bonding粘结模型，为减少试验误差Rayleigh时间步长设置为12%。颗粒粘结模型受力情况在后处理中导出，青贮玉米秸秆径向和横向压缩试验与仿真试验对比见图5。轴向压缩时，玉米秸秆双层粘结双峰分布离散元模型最大压缩力为1846.1N，与力学特性试验中青贮玉米秸秆轴向压缩受力大小一致，EDEM后处理中载荷与位移云图曲线变化趋势与力学特性试验结果一致（见图6）。在压缩过程中，轴向压缩试验粘结键断裂数为21744个，径向压缩试验粘结键断裂数为43744个，在相同试验条件下径向粘结键断裂数量高于轴向粘结键断裂，从仿真试验角度验证玉米秸秆轴向结合强度高是其主要力学特性之一。轴向外表皮-外表皮粘结键断裂12993个，断裂率66.85%，外表皮-内穰粘结键断裂5593个，断裂率50.45%，内穰-内穰粘结键断裂25058个，断裂率74.21%，从粘结键断裂情况反映玉米秸秆受外力作用时外表皮抗压强度大于内穰抗压强度。玉米秸秆模型外表皮受力破裂情况与力学试验破裂情况一致。

轴向压缩仿真

　　4.3剪切仿真实验

设置剪切仿真试验刀具加载速度为2 mm·min-1，保持与力学试验运行速度一致。在刀具剪切玉米秸秆外表皮仿真过程中，可清楚观察到粘结键法向力和切向力变化情况，见图7。仿真所得最大剪切力为75.17 N，与力学试验数据一致。青贮玉米秸秆外表皮剪切离散元仿真受力情况见图8。玉米秸秆外表皮离散元模型受剪切力作用时，颗粒间粘结键发生断裂，通过图8刀具剪切面的受力情况可以得出，在剪切力达到 75.17 N 时， 外表皮颗粒之间粘结键发生断裂，刀具持续向下运动，颗粒间粘结键断裂，但颗粒间粘结键非规律性粘接，各粘结键之间有平行、交叉等情况， 在离散元剪切试验结果图中载荷出现先上升后下降再继续上升的情况，其主要原因为粘结键排布不规律。从剪切力折线图上升趋势，对比力学试验所获得相关结果和外表皮破裂情况，充分证明所建立的玉米秸秆外表皮粘结离散元模型与青贮玉米秸秆试样力学特性一致。

基于离散单元法的玉米秸秆仿真模型建立及参数标定

价格 ¥9.90 发布时间 2023年9月11日

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