陳林濤，牟向偉，彭柱菁

(廣西師范大學(xué)職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院，廣西 桂林541004)

0 引言

一系列數(shù)值模擬軟件在我國(guó)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)中的應(yīng)用越來(lái)越突出[1]。離散元法(DEM)是一種數(shù)值計(jì)算方法，其具有省時(shí)省力、成本低、結(jié)果可視化高等優(yōu)點(diǎn)[2-3]。早期離散元法主要用于分析散粒體的碰撞、堆積特性及邊坡穩(wěn)定性研究[2]。隨著我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械的不斷發(fā)展，使得基于離散元法的農(nóng)業(yè)機(jī)械關(guān)鍵部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)和方法成為該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。本文將對(duì)目前農(nóng)業(yè)工程中應(yīng)用離散元法進(jìn)行相關(guān)研究的農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程領(lǐng)域，尤其是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)及農(nóng)產(chǎn)品加工過(guò)程中的各種機(jī)械設(shè)備與裝置展開綜述，然后對(duì)離散元法在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域的應(yīng)用前景和趨勢(shì)加以展望，以期對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備設(shè)計(jì)的進(jìn)一步發(fā)展提供參考。

1 離散元法基本原理及軟件

1.1基本原理

離散元法是一種用于模擬并分析散體介質(zhì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)行為的數(shù)值方法，將研究對(duì)象劃分為一個(gè)個(gè)相互獨(dú)立的單元，根據(jù)單元之間的相互作用和牛頓運(yùn)動(dòng)定律，采用動(dòng)態(tài)松弛法或靜態(tài)松弛法等迭代方法進(jìn)行循環(huán)迭代計(jì)算，確定在每一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)所有單元的受力及位移，并更新所有單元位置。所劃分的每個(gè)單元都有自己獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，通過(guò)研究每一個(gè)個(gè)體便可以得到整體規(guī)律[2]。離散元法主要思想是將模擬介質(zhì)系統(tǒng)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(guò)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(lái)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(guò)跟蹤各單顆粒的運(yùn)動(dòng)，利用顆粒間、顆粒與邊界間碰撞產(chǎn)生的能量交換來(lái)預(yù)測(cè)顆粒群的詳細(xì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，并揭示相應(yīng)的介質(zhì)-部件互作關(guān)系規(guī)律[4-5]。進(jìn)行離散元數(shù)值計(jì)算時(shí)，主要是通過(guò)循環(huán)計(jì)算的方式跟蹤計(jì)算材料顆粒的移動(dòng)狀況，離散元以顆粒接觸為主，根據(jù)顆粒間重疊量計(jì)算接觸力，依此更新每個(gè)顆粒的速度和位置，進(jìn)而確定整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)，其內(nèi)部計(jì)算關(guān)系如圖1所示。

圖1 內(nèi)部計(jì)算關(guān)系Fig.1 Internal calculation relationship

1.2常用軟件

如圖2所示，離散元數(shù)值模擬軟件主要包括PFC和EDEM[2]。PFC，全稱為Particle Flow Code，由離散元法提出者Cundall作為聯(lián)合創(chuàng)始人創(chuàng)辦的ITASCA工程咨詢公司于1994年首次推出，其支持C++接口編程，用戶可以編譯DLL(dynamic link library)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，構(gòu)造自定義顆粒接觸模型、自定義FISH函數(shù)。PFC支持自主輸入命令流來(lái)創(chuàng)建模型，其總體架構(gòu)設(shè)計(jì)具有高普適性，對(duì)模擬結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜、介質(zhì)組分相對(duì)多樣化的系統(tǒng)提供可能。EDEM是由英國(guó)DEM Solutions Ltd.公司于2006年開發(fā)并推出的綜合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工程軟件，機(jī)械幾何體可以從CAD或CAE中以實(shí)體模型或網(wǎng)格模型的形式導(dǎo)入EDEM中，EDEM可以結(jié)合后主流的CAE工具軟件進(jìn)行顆粒系統(tǒng)與流體、機(jī)械結(jié)構(gòu)及電磁場(chǎng)耦合的模擬仿真。

圖2 離散元軟件Fig.2 Discrete element software

2 應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1耕整地機(jī)械

華中農(nóng)業(yè)大學(xué)祝英豪等[6]基于離散元法構(gòu)建稻板田旋耕功耗預(yù)測(cè)模型，以便于旋埋刀輥功耗檢測(cè)。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)熊平原等[7]基于離散元法構(gòu)建了適應(yīng)南方土質(zhì)環(huán)境的旋耕刀-土壤相互作用仿真模型。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)秦寬等[8]應(yīng)用EDEM軟件進(jìn)行田間作業(yè)仿真，為復(fù)式整地機(jī)械的研制提供參考。袁軍等[9]利用DEM-MBD耦合算法對(duì)深松機(jī)作業(yè)過(guò)程進(jìn)行了仿真分析。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)方會(huì)敏等[10]開展了關(guān)于秸稈-土壤-旋耕刀的微觀相互作用技術(shù)研究(圖3)。

圖3 基于離散元法的耕整機(jī)械裝備優(yōu)化設(shè)計(jì)Fig.3 Optimization design of tillage machinery and equipment based on discrete element method

2.2種植機(jī)械

針對(duì)不同排種器結(jié)構(gòu)原理(表1)，進(jìn)行仿真分析優(yōu)化；針對(duì)不同的作業(yè)對(duì)象(表2)，進(jìn)行模擬研究[11-17]。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)王英博等[18]采用EDEM軟件模擬了小麥種子在排種器內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速1 000 r/min時(shí)，種子破損率為1.1%，播種深度變異系數(shù)為8.9%。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)鹿芳媛等[19]基于離散元法對(duì)水稻秧盤育秧流水線的精密播種裝置進(jìn)行仿真分析，播種合格指數(shù)提高到92%，空穴指數(shù)控制在2%以下。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)李玉環(huán)等[20]設(shè)計(jì)了機(jī)械式綠豆精量排種器，采用離散元軟件EDEM仿真優(yōu)化方法，確定了較優(yōu)的攜種孔參數(shù)組合(圖4)。

2.3收獲機(jī)械

河南農(nóng)業(yè)大學(xué)王萬(wàn)章等[21]利用EDEM軟件分析了小麥在連續(xù)輸送過(guò)程中的遷移規(guī)律、軸向速度和局部物料質(zhì)量流率變化情況。山東理工大學(xué)魏忠彩等[22]對(duì)分離篩后半段采用波浪形篩面薯土減損分離的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)戴飛等[23]對(duì)4GX-100型小區(qū)小麥種子收獲機(jī)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，利用離散元軟件EDEM建立脫粒物料顆粒模型，分析研究脫粒物料中小麥籽粒的平均速度、位移隨脫輸時(shí)間的變化規(guī)律(圖5)。

表1 基于離散元法的播種機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例一

表2 基于離散元法的播種機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例二

圖4 基于離散元法的種植機(jī)械裝備優(yōu)化設(shè)計(jì)Fig.4 Optimal design of planting machinery and equipment based on discrete element method

圖5 錐型脫粒裝置內(nèi)脫粒物料的運(yùn)動(dòng)仿真Fig.5 Motion simulation of threshing material in conical threshing device

山東理工牟孝棟等[24]針對(duì)青貯玉米收獲機(jī)玉米籽粒破碎后效果差、破碎率低等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了青貯玉米籽粒破碎的碟盤式破碎試驗(yàn)控制臺(tái)，基于DEM法對(duì)籽粒破碎過(guò)程進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)和力學(xué)分析，并進(jìn)行裝置優(yōu)化(圖6)。

2.4其他農(nóng)業(yè)機(jī)械

華中農(nóng)業(yè)大學(xué)劉曉東等[25]采用EDEM離散元軟件對(duì)排肥器排肥過(guò)程進(jìn)行了仿真對(duì)比分析。苑進(jìn)等[26]采用離散元法對(duì)設(shè)計(jì)的聯(lián)合作業(yè)機(jī)的土肥摻混作業(yè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了建模，分析了鉆頭轉(zhuǎn)速和摻混時(shí)間對(duì)菌肥和土壤摻混均勻程度的影響。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)施印炎等[27]運(yùn)用離散單元法和EDEM軟件對(duì)施肥機(jī)排肥過(guò)程進(jìn)行性能分析和數(shù)值模擬(圖7)。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)張曉明等[28]應(yīng)用EDEM離散元軟件，通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，確定物料在中筒內(nèi)停留時(shí)間的顯著性影響因素，建立了與之匹配的數(shù)學(xué)模型。劉虎等[29]采用離散元軟件建立了魚苗-機(jī)械部件耦合仿真模型。

圖6 基于離散元法的收獲機(jī)械裝備優(yōu)化設(shè)計(jì)Fig.6 Optimal design of harvesting machinery and equipment based on discrete element method

圖7 外槽輪式變量施肥機(jī)離散元仿真模型Fig.7 Discrete element simulation model of variable rate fertilizer applicator with external groove wheel

3 結(jié)束語(yǔ)

離散元法能夠準(zhǔn)確地模擬散粒體間的接觸分離狀態(tài)，快速計(jì)算顆粒間速度、加速度和位移變化情況，解決了以往通過(guò)物理試驗(yàn)較難得到散粒體顆粒與機(jī)械部件相互作用關(guān)系的難題，為研究農(nóng)業(yè)物料內(nèi)在運(yùn)動(dòng)規(guī)律提供重要手段[30-32]。離散元法在基本理論、顆粒建模、接觸算法和接觸檢測(cè)等方面還有待于進(jìn)一步提高，這也將是未來(lái)離散元發(fā)展的重要方向。

(1)開發(fā)專用離散元軟件、多軟件耦合成為離散元法在農(nóng)業(yè)工程中應(yīng)用發(fā)展的重要方向。目前尚未出現(xiàn)專用于農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域的離散元軟件，究其原因，研發(fā)農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域?qū)Ｓ秒x散元軟件技術(shù)難度大、并且與其他軟件耦合開發(fā)周期長(zhǎng)。因此，將離散元法與有限元法、邊界元法等求解連續(xù)介質(zhì)的數(shù)值方法進(jìn)行耦合，拓展離散元法的適用范圍和求解精度成為離散元法發(fā)展的一個(gè)重要方向。

(2)發(fā)展高效的離散元計(jì)算方法對(duì)于拓展離散元的科學(xué)研究和工程應(yīng)用領(lǐng)域及節(jié)省計(jì)算資源是離散元法發(fā)展的另一個(gè)重要方向。離散元法在處理連續(xù)介質(zhì)問(wèn)題的應(yīng)用中越來(lái)越廣泛，此類方法將連續(xù)介質(zhì)劃分為若干個(gè)顆粒，通過(guò)顆粒的運(yùn)動(dòng)來(lái)獲得宏觀響應(yīng)特性。離散元逐漸應(yīng)用于描述材料的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)特性中，這是由于在處理連續(xù)介質(zhì)的動(dòng)態(tài)斷裂和大量裂紋擴(kuò)展問(wèn)題時(shí)，有限元等網(wǎng)格計(jì)算方法會(huì)遇到很多挑戰(zhàn)，在計(jì)算過(guò)程中需重新劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分是一項(xiàng)繁雜工作，不能像離散元方法方便地模擬整個(gè)過(guò)程。離散元以顆粒接觸為主，根據(jù)顆粒間重疊量計(jì)算接觸力，進(jìn)而確定整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。離散元法存在計(jì)算量大，計(jì)算效率低等難以解決的問(wèn)題，因此發(fā)展高效的離散元計(jì)算方法是其發(fā)展重要方向之一。