油茶茶枯離散元模型參數標定與試驗

摘要：準確獲取油茶茶枯有機肥的離散元仿真模型參數是運用仿真手段優化設計油茶茶枯施肥裝置的關鍵。以含水率為2.88%的油茶茶枯為研究對象，選用EDEM軟件中的“Hertz-Mindlin with JKR”作為接觸模型，以圓筒提升法物理實驗堆積角度為響應目標，通過響應面法優化標定了油茶茶枯有機肥的仿真參數。首先通過接觸摩擦試驗并結合GEMM 材料庫得出其他難以測量的參數，如COSM 的泊松比和剪切模量，進而為Plackett-Burman試驗提供選擇水平。通過Plackett-Burman試驗從油茶茶枯有關的9個參數中篩選出了3個對堆積角影響較為顯著的參數：茶枯?茶枯靜摩擦系數、茶枯?不銹鋼靜摩擦系數、茶枯?茶枯滾動摩擦系數。根據最陡爬坡試驗結果確定顯著性參數最優值區間，進一步以茶枯有機肥堆積角為響應值，基于Box-Behnken試驗獲得堆積角與顯著性參數的二階回歸模型。以物理試驗測得的堆積角度35.42°為響應目標對回歸方程尋求最優解，得到最佳參數組合為：茶枯-茶枯靜摩擦系數1.01，茶枯?不銹鋼靜摩擦系數0.34，茶枯?茶枯滾動摩擦系數0.20。采用最優解進行堆積和?？讐嚎s仿真試驗，仿真堆積角與物理試驗結果的相對誤差為2.96%，且堆積形狀具有高度相似性，仿真擠壓力與實際模孔壓縮試驗的擠壓力相對誤差為1.79%，驗證了所標定的參數的準確性。研究結果可為分析茶枯有機肥與施肥裝置間復雜的相互作用并設計出高效精準茶枯有機肥施肥機提供理論參考。

關鍵詞：油茶茶枯；堆積角；有機肥；離散元；參數標定

doi：10.13304/j.nykjdb.2023.0687

中圖分類號：S233 文獻標志碼：A 文章編號：10080864（2025）03011210

油茶通常是指山茶科含油植物，是一種常綠小喬木，其種子含油量高，栽培和應用價值高[1]。油茶主要種植在在湖南、江西和廣西地區。油茶茶枯（餅粕）是油茶籽的加工副產物，目前主要用于加工肥料、飼料[2-6]等。油茶枯制成的肥料可以為土壤提供磷、鉀、鈣、鎂等元素，為作物生長提供所需元素[7]。查錢慧等[8]將油茶餅粕加工為有機肥能促進番茄生長并提高其品質。馮少平等[9]證明了油茶餅粕有機肥在一定含量下對窿緣桉幼苗的生長起促進作用。張暉等[10]發現油茶餅粕能使土壤顯示出更好的微生物多樣性。綜上所述，茶枯有機肥能提高土壤中微生物的多樣性并且提供磷、鉀、鈣、鎂等元素，還能促進作物苗高、地徑生長，提高植株干物質、葉綠素、可溶性糖含量，增強根系活力等特點。然而，茶枯有機肥多用于基肥，施肥量大且易于板結的特性使一些小型施肥機不能高效、均勻地完成施肥作業。施肥過程中肥料與施肥裝置之間的摩擦作用以及肥料粘結后對排肥裝置的堵塞現象嚴重影響排肥量的大小以及排肥的均勻性，因此，分析肥料顆粒間及肥料與裝置間復雜的相互作用已成為施肥機械設計及優化的重要手段。

離散元法（discrete element method，DEM）是一種數值計算方法，可對復雜的動力學問題分析和求解，研究物料與機械之間的相互作用離不開離散元的參數標定。近年來，離散元法在施肥[11-13]等農業領域[14-18]得到被越來越多的使用。彭才望等[19]通過EDEM 仿真對黑水虻處理的豬糞有機肥進行了參數標定。羅帥等[20]通過對蚯蚓糞基質的標定建立了休止角與含水率之間的關系模型。王韋韋等[21]對玉米秸稈粉料進行標定對象，提高了秸稈類粉料致密成型過程中離散元模擬所需參數的精度。韓樹杰等[22]將仿真試驗與物理試驗相結合，對散體廄肥的離散元參數進行了標定。牛智有等[23]針對當前顆粒飼料準確破損仿真模型缺乏的問題，對顆粒飼料破損進行了離散元仿真參數標定。宋占華等[24]對桑園土壤顆粒的接觸參數進行了離散元仿真標定。張喜瑞等[25] 通過EDEM 中Hertz-Mindlin with bonding 接觸模型建立了香蕉秸稈離散元粘結模型并進行了參數標定。除農業領域以外，EDEM 仿真軟件在運輸、建筑、煤礦[26-29]等領域也經常被使用。

本文通過EDEM仿真試驗與物理試驗相結合的方法，完成油茶茶枯有機肥離散元參數的準確標定過程，以期獲得茶枯有機肥較為準確的離散元模型參數，為后續設計油茶枯的精準定量施肥機的研究提供相應參數及理論依據。

1 材料與方法

油茶茶枯有機肥（以下簡稱茶枯）取自江西省德義源生態農業發展有限公司（116°55′43.446″E、29°10′59.5632″N），使用量筒測量茶枯體積，通過測量相應體積的質量來計算出茶枯密度。取一定質量的茶枯有機肥，使用不同直徑的篩網確定其相應質量，進而確定其粒徑分布，使用DH-190型鹵素燈自動水分測定儀（上海佳實電子科技有限公司）測定茶枯含水率。以加工后存放至施肥階段的茶枯有機肥為樣本，可降低施肥時不會因肥料存放時間過久吸水潮濕而改變所測參數，通過鹵素燈自動水分測定儀測定得含水率平均值為2.88%。在這一狀態下標定的茶枯有機肥參數可使每年同一施肥時段機施茶枯有機肥更加均勻。