離散元法在農(nóng)業(yè)機(jī)械中應(yīng)用的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

田雨琪，付亞萍，牛佩海，田成祿，王偉全

（黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院大豆研究所，黑龍江 哈爾濱 150086）

隨著現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展的推進(jìn)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)過程中機(jī)械化程度越來越高，為保證農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝相結(jié)合，對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的功能和性能提出了更高的要求。農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品在進(jìn)入市場(chǎng)之前，需要經(jīng)過大量的樣機(jī)試驗(yàn)和參數(shù)調(diào)整，但傳統(tǒng)的理論分析和公式計(jì)算與現(xiàn)實(shí)的農(nóng)田環(huán)境差別較大，利用計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)作為輔助手段，分析農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)過程中工作狀態(tài)的方法日益增強(qiáng)，計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和強(qiáng)大的適應(yīng)能力逐漸凸顯出來[1-3]。隨著研究的深入，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械多角度、全維度的深度研究，展示理論實(shí)踐機(jī)理，為保障現(xiàn)代化智能農(nóng)業(yè)數(shù)字化發(fā)展提供便捷。本文主要總結(jié)了離散元法在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀，展望了離散元法在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，為離散元方法在農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)中的進(jìn)一步應(yīng)用提供思路。

1 離散元法的理論概述

1.1 離散元基本原理

離散元法將研究對(duì)象利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)劃分成單獨(dú)的單元，也被稱為離散單元法。在此基礎(chǔ)上，采用了一種迭代法，即動(dòng)松或靜松2種迭代法來求解單元間的相互作用，并采用了一種新的方法來求解。在計(jì)算的過程中，可以實(shí)時(shí)地判斷出單元在每個(gè)單位時(shí)間的受力情況[4]。在離散元法計(jì)算過程中，利用循環(huán)計(jì)算法跟蹤需要計(jì)算的接觸模型和材料顆粒的位置狀態(tài)，根據(jù)材料顆粒之間的重疊情況計(jì)算接觸模型之間的受力狀態(tài)，進(jìn)而宏觀上分析整個(gè)工作過程中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。離散元法內(nèi)部計(jì)算邏輯見圖1。

圖1 離散元內(nèi)部計(jì)算邏輯Fig.1 Discrete element internal computing logic

1.2 離散元常見軟件和特點(diǎn)

全球首個(gè)商業(yè)化的離散元軟件是Particle Flow Code（簡稱PFC），由離散元素概念的創(chuàng)始人Cundall 和他的團(tuán)隊(duì)共同創(chuàng)建的ITASCA工程顧問公司提出。PFC操作界面見圖2。

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

英國公司研發(fā)的Engineering Discrete Element Modelling（簡稱EDEM），在2006 年一經(jīng)推出，憑借出色的軟件功能就獲得了快速發(fā)展，并于2019 年被一家美國公司所收購和集成，到目前為止，它已經(jīng)完成了一個(gè)從建模到求解和后處理的一整套可視化操作接口，更加適合初學(xué)者的需求。操作界面見圖3。

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

吉林大學(xué)于建群教授開發(fā)的AgriDEM 軟件是國內(nèi)首個(gè)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、使用效果較好的三維離散元CAD運(yùn)動(dòng)分析軟件，該軟件主要是用于農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域的基于離散元法的工程設(shè)計(jì)問題。其操作界面見圖4。

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

目前市面上的離散元分析軟件各有各的分析能力和功能特點(diǎn)，在進(jìn)行離散元運(yùn)動(dòng)分析時(shí)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際工況下的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)和理論分析，合理地選擇模擬的離散元分析軟件。

2 離散元法在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的研究現(xiàn)狀

2.1 國外研究現(xiàn)狀

隨著離散元法在不同領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸增多，國外的研究學(xué)者利用離散元法顆粒仿真運(yùn)動(dòng)取得了不錯(cuò)的成果。Chen等人通過建立不同的顆粒模型，模擬深松機(jī)在不同土壤條件下的作業(yè)狀態(tài)，優(yōu)化深松機(jī)工作部件的參數(shù)，并進(jìn)行田間驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果與模擬試驗(yàn)基本一致。Tsuji等人在前人研究的基礎(chǔ)上，對(duì)推土機(jī)的推土板進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。土壤在堆積過程中的土壤阻力主要是受粘結(jié)參數(shù)影響，Van der Linde 基于離散元法設(shè)計(jì)了振動(dòng)式深松鏟，模擬不同振動(dòng)頻率下的鏟刀對(duì)土壤的切削情況、作業(yè)阻力和耕作質(zhì)量，從仿真結(jié)果中分析了鏟刀作業(yè)時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌跡[5-11]。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)有關(guān)離散元的研究起步較晚，但隨著計(jì)算機(jī)的快速推廣與應(yīng)用，在離散單元方法方面也取得了長足的進(jìn)步。張銳團(tuán)隊(duì)在研究推土板與土壤之間的參數(shù)問題時(shí)，利用雙軸的壓縮試驗(yàn)得到土壤顆粒參數(shù)，在計(jì)算機(jī)離散元軟件中進(jìn)行光滑推土板和仿生推土板進(jìn)行模擬仿真試驗(yàn)，得到仿生推土板作業(yè)過程的波動(dòng)頻率小于光滑的推土板波動(dòng)頻率，仿生推土板比傳統(tǒng)的推土板破土能力更強(qiáng)。王燕在后掠式深松鏟設(shè)計(jì)中，利用離散元法分析后掠角度對(duì)作業(yè)阻力的影響程度，最終確定后掠角度為50°。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)祝英豪以旋刀為研究對(duì)象，建立了水田的旋耕功耗模型，更直觀地顯示了旋刀作業(yè)時(shí)的功耗情況。王英博等人利用EDEM 軟件構(gòu)建三維排種器，將小麥種子以顆粒形式進(jìn)行排種模擬仿真，模擬結(jié)果顯示：排種器在1 000 r/min 時(shí)小麥種子的破損率為1.1%，排種深度變異系數(shù)為8.9%[12-15]。

3 離散元法的局限性和發(fā)展趨勢(shì)

第一，離散元計(jì)算機(jī)輔助軟件在模擬仿真或構(gòu)建顆粒模型時(shí)，需要大量的算力，對(duì)計(jì)算機(jī)的算力要求較大，且仿真時(shí)間較長。第二，在離散元仿真過程中對(duì)顆粒或模型的微觀參數(shù)達(dá)不到一個(gè)可參考的程度，且這類微觀參數(shù)對(duì)模擬仿真過程來說是較為關(guān)鍵的數(shù)值，因此相關(guān)研究學(xué)者應(yīng)提高這類問題的研究力度。第三，顆粒之間的接觸參數(shù)設(shè)置過于理論化，與實(shí)際的復(fù)雜工況略有差別，模擬仿真結(jié)果與實(shí)際的驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果有一定的誤差，仿真結(jié)果與實(shí)際工況之間的參數(shù)轉(zhuǎn)換以及如何建立對(duì)應(yīng)模型需要加大相關(guān)研究深度。

4 展望

隨著計(jì)算機(jī)不斷更新?lián)Q代，計(jì)算能力不斷提高，信息處理能力得到極大提升，離散元的顆粒參數(shù)更符合實(shí)際的復(fù)雜工況，仿真結(jié)果更趨于真實(shí)結(jié)果。但在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)方面，復(fù)雜的物料顆粒模型中，也需要相關(guān)的研究人員加大對(duì)單個(gè)顆粒分析比對(duì)的功能開發(fā)。如此，離散元法在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用才能夠更加深入。