EDEM颗粒体仿真技术在排种机构研究上的应用

王福林，尚家杰，刘宏新，郭丽峰

（东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）

传统研究排种器方法主要是基于理论分析加试验研究。由于农业物料的离散特点，颗粒与颗粒及颗粒与排种器壳体间力的作用无法精确计算，理论分析时需要大量简化与假设[1-2]，导致精密排种的相关理论至今尚不成熟。同时，试验研究方法周期长、成本高。

随着计算机技术快速发展，数值模拟方法以其快速、低成本、操作性好等优点，在排种机构中广泛研究[3]。孙裕晶等采用CAD边界模型离散元设计分析方法，验证离散元分析方法的可行性[4]；刘振宇将CAD软件与离散元分析软件进行集成，通过计算结果与仿真结果对比，证明分析系统的可用性[5]，但未实现单籽粒跟踪与三维动态仿真及工作时力及速度对仿真效果的影响；许志宝建立分析大豆三维球体离散元模型[6]，但在接触力计算中，有些参数需进一步研究，同时，圆形散体颗粒采用线性粘弹性力学模型是否与实际接近有待证实。

英国DEM-Solution公司的EDEM软件是世界上第一款基于高级离散元方法的通用仿真分析软件。其最初主要应用于分析岩石力学问题，可以模拟诸多类型矿山设备的工作过程，帮助优化相关工艺及设备的性能，其应用已逐渐扩展到航空航天、能源化工、制药等领域。鉴于EDEM采用机械力学、热分析学、流体动力学等多学科合的求解方式，通过添加力学性质、物料性质和其他物理性质建立颗粒模型，同时充分考虑颗粒与颗粒、颗粒与机构壁面之间碰撞恢复、摩擦等实际因素，解决了颗粒体之间以及颗粒与机构壁面之间力无法计算的问题，因此将EDEM颗粒体仿真技术应用于农业物料研究具有技术上的可行性，本文以大豆排种机构为例进行分析和探讨。

1 EDEM仿真求解流程Fig.1 EDEM simulation solving route

1 EDEM仿真流程

EDEM仿真求解流程如图1所示。

图2 颗粒体模型Fig.2 Particle model

首先，EDEM通过Creator前处理器模块进行建模，需进行两个操作：①定义颗粒：通过添加力学性质、物料性质和其他物理性质来建立颗粒模型，其模型可以是任意形状，也可通过导入颗粒的CAD模型。②定义颗粒所在环境：创建或导入机械几何的CAD模型、定义几何的动力学性质、用Particle Factory工具定义颗粒的生成工厂等，其中机械形状可以作为固体模型或表面网格从CAD或CAE软件中导入。再次，利用Simulator求解器模块进行计算，它可以实现动态模拟，不仅能够快速、有效地监测离散颗粒间的碰撞，还能够选用动态时间步长。最后，通过Analyst后处理器模块进行分析，在此模块中可进行数据分析和处理，可以详细地研究3D视频动画及剖面图、生成初始数据及用户自定义参数数据的图表、瞬态分析、基于粒子群的空间分析、颗粒跟踪及接触等模型结果。

2 前处理器设置

2.1 设置全局变量

其中颗粒-颗粒，颗粒-壁面受力计算采用Hertz模型，因该模型利用两物体间相对位置与它们各自受力处曲率半径进行对比，计算法向和切向受力，能够较好反映硬质刚性物体间的力学行为特点。其余参数设置如大豆颗粒属性、壁面属性及它们之间相互作用属性设置如表1所示。

表1 全局变量参数设置[7]Table 1 Pre-treatment parameters setting

2.2 定义颗粒模型

为能够更加真实准确地模拟排种器的运动情况，本文大豆颗粒不是简单地采用球体来替代而是采用四面构型方法创建使之成为椭球体颗粒模型，如图2所示，其中各面坐标设置如表2所示。材料选取为全局变量中所设置的大豆颗粒并自动获取其余属性。

表2 颗粒体参数设置[7]Table 2 Particles parameters setting

2.3 定义几何体

排种器CAD模型如图3所示，该排种器是2B-JP-FL01精密排种器[8-9]的双行形式。几何模型通过CATIA创建而成并导入到EDEM中。为能够方便、快速、有效设定动力学特性，对该几何模型的机械组成进行集成，使其分为转动件和固定件两大部分，其中4、7、9集成为转动件，其余零件集成为固定件。

转动件转动角速度计算如式（1）所示。

式中，V-机器前进速度（km·h-1）；N-排种器容腔数；Mk-排种器型孔数；L-理论株距（cm）。

选择机器前进速度V=8 km·h-1，理论株距L=10 cm，排种器容腔个数N=4个，型孔个数Mk=34个。由公式（1）计算得ω=58.82 deg·s-1。

为使排种器模拟工作前充种完毕并达到稳定状态，通常设定转动开始时间为1 s，为防止计算时间过长，转动结束时间设定为15 s。

创建虚拟工厂即颗粒生成区域。虚拟工厂大小为排种器容腔上部截面面积大小，其形状为四边形，设定虚拟平面中心坐标为（259，0，125），长边尺寸为200 mm，短边为24 mm。

图3 四腔双行立式复合圆盘排种器装配图Fig.3 Four cavity double linevertical composite plate seed-metering deviceassembly

2.4 定义颗粒工厂

设定颗粒工厂为动态生成方式。颗粒数量设置需综合考虑几何模型容腔大小、半腔充种要求以及颗粒生成速度，本研究中设定产生颗粒总数为3 200个，产生速率为10 000个·秒-1，颗粒直径大小服从正态分布方式。同时，为防止一直停留在颗粒生成过程中，无法进入工作仿真过程，因此设定放置颗粒的最大尝试次数为20次。

3 计算与结果分析

EDEM通过Simulator模块进行离散元数值模拟，是通过循环计算方法，跟踪计算颗粒的移动状况。其中每一次循环包括两个计算步骤。首先，创建新颗粒，由作用力、反作用力原理和相邻颗粒间的接触本构关系，确定颗粒间的接触作用力和相对位移。其次，添加由牛顿第二定律确定的相对位移在相邻颗粒间产生的新不平衡力，更新颗粒体的位置，直至要求的循环次数或颗粒移动趋于稳定或颗粒受力趋于平衡为止。其中计算时间的长度可以根据需要自行设定，具体计算循环过程如图4所示。

在仿真过程中，为防止由于时间步长过大而导致发散问题，通常设置固定时间步长为Rayleigh时间步长的20%，仿真时间与几何体转动部件结束时间相同即为15 s，数据保存时间为每5次迭代保存一次。同时为了减少仿真运行时间，网格尺寸设置为最小颗粒尺寸的2倍。

图4 EDEM计算模拟循环Fig.4 EDEM simulation cyclic

通过EDEM可以得出如下数据：与机构表面相互作用的颗粒集合内部行为，系统组分间碰撞的强度、频率和分布，每个颗粒的速度、位置和一个颗粒集合中颗粒碰撞、磨损、聚合和松解相关的能量，亚颗粒结构的结构完整性和力链。同时，可以由仿真计算得到的数据绘制各种形式图表（其中有直方图、折线图、散点图、饼状图），还可以将某一时刻的模型状态以全彩图像导出，可对数据进行有效分析[10]。颗粒元素的结果输出属性可以分为定量和定性两部分，其具体输出属性见图5所示。

以生成颗粒质量-数量直方图为例进行分析。首先将窗口切换到图表绘制模式，选择图形类型为直方图，元素为全部颗粒，然后设定X轴属性为质量，Y轴属性为颗粒数量，最后选择创建图表命令进行创建。其图形如图6所示，从图中可以看出，不同质量的颗粒数量服从正态分布亦即颗粒直径大小服从正态分布，因此颗粒直径大小符合常规试验要求。

排种器工作仿真如图7所示。可见，其仿真效果与台架试验效果相符[11]，图中左侧所示颜色条为速度标尺，即颗粒在不同速度下呈现不同颜色，高速颗粒显示为速度标尺上部颜色，反之，低速颗粒显示为下部颜色。不仅可观察到大豆在排种器内充种、护种、清种、排种等运动过程，还可观测到漏种、重播等情况。

图5 EDEM颗粒元素输出属性Fig.5 EDEM particles output attributes graph

图6 EDEM生成颗粒质量-数量分布Fig.6 EDEM generate number of particles-mass

图7 排种器仿真Fig.7 Metering device simulation

4 结论

EDEM用于农业物料的研究具有可行性，在准确、有效引入机械3D模型、构建颗粒体模型并赋予相关属性基础上，能直观模拟机构工作过程，并能获得力、速度、质量、动能等定性与定量数据，有利于机理研究，具有高效、便捷优点，在农业物料研究领域有广阔的应用空间。

[1]Deng Xiaoyan,Li Xu,Shu Caixia,et al.Mathematical model and optimization of structure and operating parameters of pneumatic precision metering device for rapeseed[J].Journal of Food,Agriculture&Environment,2010,8(3/4 part 1):318-322.

[2]Raji A O,Favier JF.Model for the deformation in agricultural and food particulate materials under bulk compressive loading using discrete element method.I.Theory,model development and validation[J].Journal of food engineering,2004,64(3):359-371.

[3]潘振海,王昊,王习东,等.油砂干馏系统的DEM-CFD耦合模拟[J].天然气工业,2008(12):124-126.

[4]孙裕晶,马成林.基于离散元的大豆精密排种过程分析与动态模拟[J].农业机械学报,2006(11):45-48.

[5]刘振宇.基于离散元法的精密排种器分析设计软件开发研究[D].长春:吉林大学,2004.

[6]许志宝.基于离散元法的大豆碰撞过程仿真分析[D].长春:吉林大学,2006.

[7]Resort G S,Nevada C R.Material and interaction properties of selected grains and oil seeds for modeling discrete particles[J].ASABE Annual International Meeting,2009(7):3,16.

[8]刘宏新,王福林.新型立式复合圆盘大豆精密排种器研究[J].农业工程学报,2007(10):112-113.

[9]刘宏新,王福林.2B-JP-FL01精密排种器工艺设计[J].东北农业大学学报,2007(4):232-235.

[10]胡国明.颗粒系统的离散元素法分析仿真[M].武汉:武汉理工大学出版社,2010.

[11]刘宏新,王福林.立式圆盘排种器工作过程的高速影像分析[J].农业机械学报,2008,39(4):60-64.