离散元法在农业机械中应用的研究现状和发展趋势

2023-12-18田雨琪付亚萍牛佩海田成禄王伟全

农业技术与装备 2023年11期

田雨琪，付亚萍，牛佩海，田成禄，王伟全

（黑龙江省农业科学院大豆研究所，黑龙江哈尔滨 150086）

随着现代化农业发展的推进，农业生产作业过程中机械化程度越来越高，为保证农机与农艺相结合，对农业机械的功能和性能提出了更高的要求。农业机械产品在进入市场之前，需要经过大量的样机试验和参数调整，但传统的理论分析和公式计算与现实的农田环境差别较大，利用计算机虚拟技术作为辅助手段，分析农业机械作业过程中工作状态的方法日益增强，计算机虚拟技术的优势和强大的适应能力逐渐凸显出来[1-3]。随着研究的深入，可以实现对农业机械多角度、全维度的深度研究，展示理论实践机理，为保障现代化智能农业数字化发展提供便捷。本文主要总结了离散元法在农业机械设计的应用及研究现状，展望了离散元法在农业机械设计领域的发展趋势，为离散元方法在农机设计中的进一步应用提供思路。

1 离散元法的理论概述

1.1 离散元基本原理

离散元法将研究对象利用计算机模拟技术划分成单独的单元，也被称为离散单元法。在此基础上，采用了一种迭代法，即动松或静松2种迭代法来求解单元间的相互作用，并采用了一种新的方法来求解。在计算的过程中，可以实时地判断出单元在每个单位时间的受力情况[4]。在离散元法计算过程中，利用循环计算法跟踪需要计算的接触模型和材料颗粒的位置状态，根据材料颗粒之间的重叠情况计算接触模型之间的受力状态，进而宏观上分析整个工作过程中的运动规律。离散元法内部计算逻辑见图1。

图1 离散元内部计算逻辑Fig.1 Discrete element internal computing logic

1.2 离散元常见软件和特点

全球首个商业化的离散元软件是Particle Flow Code（简称PFC），由离散元素概念的创始人Cundall 和他的团队共同创建的ITASCA工程顾问公司提出。PFC操作界面见图2。

图2 PFC操作界面Fig.2 PFC operation interface

英国公司研发的Engineering Discrete Element Modelling（简称EDEM），在2006 年一经推出，凭借出色的软件功能就获得了快速发展，并于2019 年被一家美国公司所收购和集成，到目前为止，它已经完成了一个从建模到求解和后处理的一整套可视化操作接口，更加适合初学者的需求。操作界面见图3。

图3 EDEM操作界面Fig.3 EDEM operation interface

吉林大学于建群教授开发的AgriDEM 软件是国内首个具有自主知识产权、使用效果较好的三维离散元CAD运动分析软件，该软件主要是用于农业工程领域的基于离散元法的工程设计问题。其操作界面见图4。

图4 AgriDEM操作界面Fig.4 AgriDEM operation interface

目前市面上的离散元分析软件各有各的分析能力和功能特点，在进行离散元运动分析时，应结合实际工况下的运动趋势和理论分析，合理地选择模拟的离散元分析软件。

2 离散元法在农业机械中的研究现状

2.1 国外研究现状

随着离散元法在不同领域的应用逐渐增多，国外的研究学者利用离散元法颗粒仿真运动取得了不错的成果。Chen等人通过建立不同的颗粒模型，模拟深松机在不同土壤条件下的作业状态，优化深松机工作部件的参数，并进行田间验证，验证结果与模拟试验基本一致。Tsuji等人在前人研究的基础上，对推土机的推土板进行进一步的优化。土壤在堆积过程中的土壤阻力主要是受粘结参数影响，Van der Linde 基于离散元法设计了振动式深松铲，模拟不同振动频率下的铲刀对土壤的切削情况、作业阻力和耕作质量，从仿真结果中分析了铲刀作业时的运动状态和运动轨迹[5-11]。

2.2 国内研究现状

国内有关离散元的研究起步较晚，但随着计算机的快速推广与应用，在离散单元方法方面也取得了长足的进步。张锐团队在研究推土板与土壤之间的参数问题时，利用双轴的压缩试验得到土壤颗粒参数，在计算机离散元软件中进行光滑推土板和仿生推土板进行模拟仿真试验，得到仿生推土板作业过程的波动频率小于光滑的推土板波动频率，仿生推土板比传统的推土板破土能力更强。王燕在后掠式深松铲设计中，利用离散元法分析后掠角度对作业阻力的影响程度，最终确定后掠角度为50°。华中农业大学祝英豪以旋刀为研究对象，建立了水田的旋耕功耗模型，更直观地显示了旋刀作业时的功耗情况。王英博等人利用EDEM 软件构建三维排种器，将小麦种子以颗粒形式进行排种模拟仿真，模拟结果显示：排种器在1 000 r/min 时小麦种子的破损率为1.1%，排种深度变异系数为8.9%[12-15]。

3 离散元法的局限性和发展趋势

第一，离散元计算机辅助软件在模拟仿真或构建颗粒模型时，需要大量的算力，对计算机的算力要求较大，且仿真时间较长。第二，在离散元仿真过程中对颗粒或模型的微观参数达不到一个可参考的程度，且这类微观参数对模拟仿真过程来说是较为关键的数值，因此相关研究学者应提高这类问题的研究力度。第三，颗粒之间的接触参数设置过于理论化，与实际的复杂工况略有差别，模拟仿真结果与实际的验证试验结果有一定的误差，仿真结果与实际工况之间的参数转换以及如何建立对应模型需要加大相关研究深度。