王鹏飞 李建平 刘洪杰 张建路

(河北农业大学机电工程学院，河北 保定 071000)

引言

我国的农业机械近年来正在朝着轻量化、智能化和高端化发展，在耕、种、管、收等各方面的农业机械经过设计、改进和产品迭代，往往需要较大的资本投入和更专业的有关农业机械方面的人才，在“新工科”背景下的课程思政实践教学活动改革路径和具体措施，学科成绩及课程思政评定等方法验证了效果，同时基于OBE教育理念，将工程案例融入课堂教学中，围绕特色林果种植收获机和播种机等典型机械展开研究，引导学生主动学习、独立探索，同时融入田间实习及教师科研项目[1,2]。加强农机人才培养应逐渐完善新型农业人才培养体系，为扩大高素质农机人才数量，高等院校开设更多相关专业，增大本科生、研究生招生规模，同时着力提升课程教学的质量，培养促进农业机械创新与进步的“新工科”人才，加强学生对于农业机械方面的理论和实践应用，数字化仿真技术等软件的学习变得尤为重要。如Solidworks、AIP等三维建模建模软件，Ansys等有限元分析软件，EDEM等离散元分析软件[3,4]。本文通过对颗粒有机肥离散元模型的建模和果园用开沟施肥机排肥装置的排肥性能研究介绍了EDEM软件在农业机械方面的相关研究[5]。

离散元软件EDEM是世界上第一个现代化、多用途且应用离散元法建模的软件，主要通过对生产过程中颗粒系统的模拟、仿真和分析，对设备进行改进和优化，目前被广泛应用于农业、矿冶、机械等众多领域。软件可以将泊松比、密度等物理特性添加给EDEM所形成的颗粒模型中，同时保存以便下次仿真继续使用。EDEM软件自带后处理功能，可以查看仿真后颗粒模型或者农业机械装备力、速度、轨迹等特征，经过后处理的模型可以得到用过户想要的图、表和视频。结合教学与科研实践，通过对EDEM软件的介绍和应用，可以指导学生进行软件应用，培养学生能够利用新技术手段解决农业机械生产实际问题的能力，激发学生专业兴趣，提高教学效果。

1 排肥装置模型

1.1 创建三维模型

开沟施肥机是目前国内外果园较常用的一种有机肥施用机具。本文仿真所使用的三维模型开沟施肥机械和排肥装置应用Solid works数字建模软件进行创建，如图1所示。EDEM离散元仿真软件可以导入需要进行仿真的CAD模型，可以识别多种工业格式标准CAD模型文件，如igs、stp和x_t，三维绘图软件Solid works、Unigraphics和ProE都可以输出该格式文件。

图1a为开沟施肥机整机，在教学中可以更加直观地了解其工作部件与工作原理，整机的构成与实物图比例为1∶1，结构复杂，往往由较多的零部件和减速器、轮胎等通用件组成，在仿真软件中会增加计算量的同时，也不利于后处理中对数据的整合，因此需要简化三维模型。图1b为仿真所用到的排肥装置三维模型，由软件Solid works绘制，可以明显看出排肥装置的长度和宽度变小，肥箱由之前的倾斜放置成为垂直放置，有利于减少计算量。

图1 三维模型示意图

1.2 有机肥离散元建模

有机肥离散元模型的接触参数和接触模型参数(包括JKR表面能、恢复系数、静摩擦系数与动摩擦系数))可以通过EDEM软件仿真得到，堆积角可以反映出颗粒物料的物理特性，以有机肥的堆积角为目标参数，在接触模型的参数范围中选定参数进行仿真并进行多元回归分析。

以颗粒有机肥为例，应用数显游标卡尺对颗粒有机肥的直径进行测量，颗粒有机肥不是规则的球形，通过计算出颗粒有机肥在X、Y、Z 3个方向上直径的平均值，将得到的直径作为圆整后的有机肥颗粒以便在EDEM软件中应用；颗粒有机肥的直径并不单一，经过多个颗粒的测量后得到有机肥颗粒直径的正态分布图，EDEM软件也可以将颗粒的大小呈正态生成。应用拉伸实验台测量出有机肥的弹性模量和杨氏模量，称重并计算出颗粒有机肥的密度。将质量和密度等参数输入到软件中可自动计算出单个颗粒质量以及颗粒工厂中所有颗粒的质量。

1.3 EDEM软件操作步骤

1.3.1 堆积角仿真步骤

软件的仿真操作应和实际的实验操作相同，包括使用的实验装置、有机肥的重量等。测量有机肥堆积角的方法有很多，如固定漏斗法、固定圆锥法和抽板法等，有条件的可以使用拉伸实验台进行圆桶提升试验。固定漏斗法是常见的方法之一，本文以固定漏斗法对颗粒有机肥进行堆积角试验。

将实际实验所用的漏斗进行三维建模，将漏斗固定在距离地面的一定高度，高度作为不变量与实际实验所用的高度相同，颗粒有机肥的使用质量与仿真量相同。将漏斗模型导入EDEM软件中，在仿真软件中设置好之前测量的有关颗粒有机肥的密度和弹性模量等参数，将漏斗模型设置为钢材，通过设置颗粒和钢材之间不同的离散元参数，得到不同的仿真堆积角。钢材和颗粒间的离散元参数区间较大，通过多次仿真实验得到接近实际实验的堆积角，也可以通过进行正交试验得到堆积角的回归模型进行寻优。

堆积角的角度确定方法也有很多，本次所用方法为像素法，用相机正视实际实验得到的堆积角，同样将仿真得到的堆积角在某个方向上进行正视，将图片放到AUTOCAD软件中，用线条框住实验得到的颗粒堆边缘轮廓并标注，最后得到颗粒堆的堆积角，如图2所示。

图2 试验堆积角的测定

需要注意的是,颗粒有机肥的拍照角度一定要正视，否则会带来较大的误差，人为测量图像的轮廓也会产生误差，因此应重复多次试验求得平均值。除了直接标注颗粒堆的角度外，还可以通过标注颗粒堆的底直径和高度，以反函数取得颗粒堆积角的角度。无论是哪种方法测量堆积角，一定要使用同一种方法，这样可以较少误差。

图3 堆积角第2种测量方法

1.3.2 排肥试验仿真步骤

将EDEM仿真软件打开，仿真的基本流程和颗粒有机肥堆积角的过程类似，先以上文得到颗粒有机肥的离散元参数创建实体颗粒并添加物理属性，创建设备材料并添加物理属性，导入CAD模型并添加运动属性，仿真环境的确定，仿真计算和后处理结果输出。因此进行仿真分析前，应通过查找文献或以试验的方式提前得到实体颗粒和设备材料的物理属性[6]。机械设备的材料多为钢材，少数有PVC等材质，材料的物理属性面板如图4所示。

在教学实际操作中，进行仿真试验的肥料为颗粒有机肥，简化后的排肥装置模型为钢材。将有机肥颗粒和钢材的离散元参数数据添加到软件的材料属性面板中，软件会根据用户设置好的参数自动计算出颗粒的相对位置、体积和质量，之后可以在Geometries中插入虚拟几何体，虚拟的几何体不会有钢材的物理属性，因此不会对仿真结果产生影响，只能作为颗粒工厂的承载体，同时也可以和排肥装置一起添加运动。将排肥装置的CAD模型导入软件中，对排肥装置中的刮肥板添加可以进行刮肥作业的几何运动，刮肥板的几何运动有旋转和平移，排肥装置作为机组进行运动需要对所有的刮板添加平动，因此底部的接肥板可做相对运动，以达到排肥作业要求。

除了EDEM软件中实现的排肥仿真外，还可以应用多体动力学软件Adams或者Recurdyn进行DEM-MBD耦合求解(CouplingServer)，具体操作：将要进行仿真操作的三维模型导入到EDEM软件中，步骤和EDEM软件中的前处理相同，在进行求解时，打开耦合接口后在多体动力学软件中对零件添加运动和运动副，使零件处于运动状态，打开多体动力学软件的协同仿真插件导入三维模型的耦合文件即可进行耦合仿真。DEM-MBD耦合仿真可以直观地得出仿真工况，如刮肥板在进行作业时的受力、排肥链的功耗等，不足是需要添加的运动较多，需要修改大量的耦合文件参数，参数设置出错不能进行自动矫正，仿真出现的误差不稳定，本文主要得到的目标参数排肥量，EDEM软件可以直接实现。

在不使用多体动力学联合仿真的情况下，直接应用EDEM软件进行操作，具体设置：在仿真设置中将Rayleigh时间步调节为30%，时间步通常在15%～40%，较大的时间步计算的时间也会变快；网格尺寸为3Rmin，网格尺寸对计算的精度有较大影响，如颗粒的矢量方向，对速度和质量影响不大，因此应选择适宜大小的网格尺寸；颗粒在肥箱中的填充时间为2s，颗粒的填充可以在较小的时间内生成，对仿真计算机的要求较高，当颗粒填充完毕，2s后仿真开始进行；设置总仿真时间为12s，排肥时间为10s，可以反映出排肥装置的性能。在计算过程中，软件会自动保存计算步数，在2018版本后，结算结果得到优化，仿真不会因为少了某一时间步而出错且软件会记住所有的用过户操作，直到计算完成。

2 仿真结果和数据导出

2.1 颗粒有机肥的离散元参数

颗粒有机肥的固有物理属性如密度等可以通过实验测得，以颗粒有机肥为例，颗粒有机肥还有一个较为重要的参数：干湿度，EDEM软件中暂未涉及到湿度的参数影响，因此颗粒有机肥的湿度不再考虑，直接使用带水分的有机肥。颗粒有机肥与颗粒有机肥和颗粒有机肥与钢材之间有交互作用，其表征参数包括恢复系数、静摩擦系数和滚动摩擦系数[7,8]，如图4所示。这些参数可以统称为离散元参数，上文使用仿真试验以自然休止角的方式进行了验证，其它颗粒模型如种子填充模型也可以通过此方式进行验证。

图4 EDEM软件材料属性面板

2.2 仿真数据处理

EDEM软件自带后处理功能Analyst，通过后处理中可以得到Bond、Contact、Geometry和Particle的质量、速度和压力等在X、Y、Z上的量。在本次仿真计算中主要研究排肥装置的排肥性能，其排肥性能的主要表征参数包括排肥量和排肥一致性，在EDEM仿真软件中主要测试量为颗粒有机肥的质量。此外，刮肥板的受力情况以及整机所需要的功率等也是仿真需要考虑的参数，软件自带的后处理只有数据的导出，云图、位移和受力受扭等情况展示不明显，因此可以用到第三方后处理软件Ensight。在EDEM软件后处理中可以直接选择ExportResultDatatoEnsight，在Ensight软件中只可以处理Geometry模型和Particle模型中的量，这是因为颗粒间的Bond键等只能在EDEM软件中显示。除了Ensight外，EDEM在和Fluent、Static structure等软件进行耦合时，软件仿真后的数据也可以将压力等几何体中的数据传递给ANSYSWorkbench。

图5 EDEM软件生成的颗粒

本次仿真仅需对排肥后的有机肥进行质量统计，可以直接在EDEM软件中进行操作，在接肥板上将需要统计的有机肥用框线框住，对显示的重量参数进行选择，并让参数显示，如图6所示。

图6 后处理颗粒质量显示图

软件中还可以对施肥量进行瞬时测量，在排肥装置的出口位置放置一个同样的矩形线框，以时间为横坐标，可以对线框中的颗粒流进行监控，其中包括质量和颗粒的速度等，当排肥箱中的有机肥颗粒较多时，可以看出颗粒流的输出比较稳定，与最后的颗粒有机肥质量统计趋势相同。

3 结语

软件仿真的兴起对农业机械的教学起到了促进作用，不仅加深了学生们对各种机械结构的理解，还提高学生们理论联系实际的水平。将EDEM离散元仿真软件引入到教学中，是提高教学效率的一种较为有效的方式，能够帮助学生快速掌握农业机械的CAD建模与分析，仿真后的结果不仅可以帮助学生理解农业机械的工作原理，更对实际的试验具有指导意义，能很好地减少物力和财力的损失。通过对果园用颗粒有机肥排肥装置的排肥仿真模拟，让学生对软件的操作流程更加熟悉，有利于加强对教学的应用和实践。