基于EDEM軟件在農業機械教學中的應用與實踐

王鵬飛 李建平 劉洪杰 張建路

(河北農業大學機電工程學院，河北 保定 071000)

引言

我國的農業機械近年來正在朝著輕量化、智能化和高端化發展，在耕、種、管、收等各方面的農業機械經過設計、改進和產品迭代，往往需要較大的資本投入和更專業的有關農業機械方面的人才，在“新工科”背景下的課程思政實踐教學活動改革路徑和具體措施，學科成績及課程思政評定等方法驗證了效果，同時基于OBE教育理念，將工程案例融入課堂教學中，圍繞特色林果種植收獲機和播種機等典型機械展開研究，引導學生主動學習、獨立探索，同時融入田間實習及教師科研項目[1,2]。加強農機人才培養應逐漸完善新型農業人才培養體系，為擴大高素質農機人才數量，高等院校開設更多相關專業，增大本科生、研究生招生規模，同時著力提升課程教學的質量，培養促進農業機械創新與進步的“新工科”人才，加強學生對于農業機械方面的理論和實踐應用，數字化仿真技術等軟件的學習變得尤為重要。如Solidworks、AIP等三維建模建模軟件，Ansys等有限元分析軟件，EDEM等離散元分析軟件[3,4]。本文通過對顆粒有機肥離散元模型的建模和果園用開溝施肥機排肥裝置的排肥性能研究介紹了EDEM軟件在農業機械方面的相關研究[5]。

離散元軟件EDEM是世界上第一個現代化、多用途且應用離散元法建模的軟件，主要通過對生產過程中顆粒系統的模擬、仿真和分析，對設備進行改進和優化，目前被廣泛應用于農業、礦冶、機械等眾多領域。軟件可以將泊松比、密度等物理特性添加給EDEM所形成的顆粒模型中，同時保存以便下次仿真繼續使用。EDEM軟件自帶后處理功能，可以查看仿真后顆粒模型或者農業機械裝備力、速度、軌跡等特征，經過后處理的模型可以得到用過戶想要的圖、表和視頻。結合教學與科研實踐，通過對EDEM軟件的介紹和應用，可以指導學生進行軟件應用，培養學生能夠利用新技術手段解決農業機械生產實際問題的能力，激發學生專業興趣，提高教學效果。

1 排肥裝置模型

1.1 創建三維模型

開溝施肥機是目前國內外果園較常用的一種有機肥施用機具。本文仿真所使用的三維模型開溝施肥機械和排肥裝置應用Solid works數字建模軟件進行創建，如圖1所示。EDEM離散元仿真軟件可以導入需要進行仿真的CAD模型，可以識別多種工業格式標準CAD模型文件，如igs、stp和x_t，三維繪圖軟件Solid works、Unigraphics和ProE都可以輸出該格式文件。

圖1a為開溝施肥機整機，在教學中可以更加直觀地了解其工作部件與工作原理，整機的構成與實物圖比例為1∶1，結構復雜，往往由較多的零部件和減速器、輪胎等通用件組成，在仿真軟件中會增加計算量的同時，也不利于后處理中對數據的整合，因此需要簡化三維模型。圖1b為仿真所用到的排肥裝置三維模型，由軟件Solid works繪制，可以明顯看出排肥裝置的長度和寬度變小，肥箱由之前的傾斜放置成為垂直放置，有利于減少計算量。

圖1 三維模型示意圖

1.2 有機肥離散元建模

有機肥離散元模型的接觸參數和接觸模型參數(包括JKR表面能、恢復系數、靜摩擦系數與動摩擦系數))可以通過EDEM軟件仿真得到，堆積角可以反映出顆粒物料的物理特性，以有機肥的堆積角為目標參數，在接觸模型的參數范圍中選定參數進行仿真并進行多元回歸分析。

以顆粒有機肥為例，應用數顯游標卡尺對顆粒有機肥的直徑進行測量，顆粒有機肥不是規則的球形，通過計算出顆粒有機肥在X、Y、Z 3個方向上直徑的平均值，將得到的直徑作為圓整后的有機肥顆粒以便在EDEM軟件中應用；顆粒有機肥的直徑并不單一，經過多個顆粒的測量后得到有機肥顆粒直徑的正態分布圖，EDEM軟件也可以將顆粒的大小呈正態生成。應用拉伸實驗臺測量出有機肥的彈性模量和楊氏模量，稱重并計算出顆粒有機肥的密度。將質量和密度等參數輸入到軟件中可自動計算出單個顆粒質量以及顆粒工廠中所有顆粒的質量。

1.3 EDEM軟件操作步驟

1.3.1 堆積角仿真步驟

軟件的仿真操作應和實際的實驗操作相同，包括使用的實驗裝置、有機肥的重量等。測量有機肥堆積角的方法有很多，如固定漏斗法、固定圓錐法和抽板法等，有條件的可以使用拉伸實驗臺進行圓桶提升試驗。固定漏斗法是常見的方法之一，本文以固定漏斗法對顆粒有機肥進行堆積角試驗。

將實際實驗所用的漏斗進行三維建模，將漏斗固定在距離地面的一定高度，高度作為不變量與實際實驗所用的高度相同，顆粒有機肥的使用質量與仿真量相同。將漏斗模型導入EDEM軟件中，在仿真軟件中設置好之前測量的有關顆粒有機肥的密度和彈性模量等參數，將漏斗模型設置為鋼材，通過設置顆粒和鋼材之間不同的離散元參數，得到不同的仿真堆積角。鋼材和顆粒間的離散元參數區間較大，通過多次仿真實驗得到接近實際實驗的堆積角，也可以通過進行正交試驗得到堆積角的回歸模型進行尋優。

堆積角的角度確定方法也有很多，本次所用方法為像素法，用相機正視實際實驗得到的堆積角，同樣將仿真得到的堆積角在某個方向上進行正視，將圖片放到AUTOCAD軟件中，用線條框住實驗得到的顆粒堆邊緣輪廓并標注，最后得到顆粒堆的堆積角，如圖2所示。

圖2 試驗堆積角的測定

需要注意的是,顆粒有機肥的拍照角度一定要正視，否則會帶來較大的誤差，人為測量圖像的輪廓也會產生誤差，因此應重復多次試驗求得平均值。除了直接標注顆粒堆的角度外，還可以通過標注顆粒堆的底直徑和高度，以反函數取得顆粒堆積角的角度。無論是哪種方法測量堆積角，一定要使用同一種方法，這樣可以較少誤差。

圖3 堆積角第2種測量方法

1.3.2 排肥試驗仿真步驟

將EDEM仿真軟件打開，仿真的基本流程和顆粒有機肥堆積角的過程類似，先以上文得到顆粒有機肥的離散元參數創建實體顆粒并添加物理屬性，創建設備材料并添加物理屬性，導入CAD模型并添加運動屬性，仿真環境的確定，仿真計算和后處理結果輸出。因此進行仿真分析前，應通過查找文獻或以試驗的方式提前得到實體顆粒和設備材料的物理屬性[6]。機械設備的材料多為鋼材，少數有PVC等材質，材料的物理屬性面板如圖4所示。

在教學實際操作中，進行仿真試驗的肥料為顆粒有機肥，簡化后的排肥裝置模型為鋼材。將有機肥顆粒和鋼材的離散元參數數據添加到軟件的材料屬性面板中，軟件會根據用戶設置好的參數自動計算出顆粒的相對位置、體積和質量，之后可以在Geometries中插入虛擬幾何體，虛擬的幾何體不會有鋼材的物理屬性，因此不會對仿真結果產生影響，只能作為顆粒工廠的承載體，同時也可以和排肥裝置一起添加運動。將排肥裝置的CAD模型導入軟件中，對排肥裝置中的刮肥板添加可以進行刮肥作業的幾何運動，刮肥板的幾何運動有旋轉和平移，排肥裝置作為機組進行運動需要對所有的刮板添加平動，因此底部的接肥板可做相對運動，以達到排肥作業要求。

除了EDEM軟件中實現的排肥仿真外，還可以應用多體動力學軟件Adams或者Recurdyn進行DEM-MBD耦合求解(CouplingServer)，具體操作：將要進行仿真操作的三維模型導入到EDEM軟件中，步驟和EDEM軟件中的前處理相同，在進行求解時，打開耦合接口后在多體動力學軟件中對零件添加運動和運動副，使零件處于運動狀態，打開多體動力學軟件的協同仿真插件導入三維模型的耦合文件即可進行耦合仿真。DEM-MBD耦合仿真可以直觀地得出仿真工況，如刮肥板在進行作業時的受力、排肥鏈的功耗等，不足是需要添加的運動較多，需要修改大量的耦合文件參數，參數設置出錯不能進行自動矯正，仿真出現的誤差不穩定，本文主要得到的目標參數排肥量，EDEM軟件可以直接實現。

在不使用多體動力學聯合仿真的情況下，直接應用EDEM軟件進行操作，具體設置：在仿真設置中將Rayleigh時間步調節為30%，時間步通常在15%～40%，較大的時間步計算的時間也會變快；網格尺寸為3Rmin，網格尺寸對計算的精度有較大影響，如顆粒的矢量方向，對速度和質量影響不大，因此應選擇適宜大小的網格尺寸；顆粒在肥箱中的填充時間為2s，顆粒的填充可以在較小的時間內生成，對仿真計算機的要求較高，當顆粒填充完畢，2s后仿真開始進行；設置總仿真時間為12s，排肥時間為10s，可以反映出排肥裝置的性能。在計算過程中，軟件會自動保存計算步數，在2018版本后，結算結果得到優化，仿真不會因為少了某一時間步而出錯且軟件會記住所有的用過戶操作，直到計算完成。

2 仿真結果和數據導出

2.1 顆粒有機肥的離散元參數

顆粒有機肥的固有物理屬性如密度等可以通過實驗測得，以顆粒有機肥為例，顆粒有機肥還有一個較為重要的參數：干濕度，EDEM軟件中暫未涉及到濕度的參數影響，因此顆粒有機肥的濕度不再考慮，直接使用帶水分的有機肥。顆粒有機肥與顆粒有機肥和顆粒有機肥與鋼材之間有交互作用，其表征參數包括恢復系數、靜摩擦系數和滾動摩擦系數[7,8]，如圖4所示。這些參數可以統稱為離散元參數，上文使用仿真試驗以自然休止角的方式進行了驗證，其它顆粒模型如種子填充模型也可以通過此方式進行驗證。

圖4 EDEM軟件材料屬性面板

2.2 仿真數據處理

EDEM軟件自帶后處理功能Analyst，通過后處理中可以得到Bond、Contact、Geometry和Particle的質量、速度和壓力等在X、Y、Z上的量。在本次仿真計算中主要研究排肥裝置的排肥性能，其排肥性能的主要表征參數包括排肥量和排肥一致性，在EDEM仿真軟件中主要測試量為顆粒有機肥的質量。此外，刮肥板的受力情況以及整機所需要的功率等也是仿真需要考慮的參數，軟件自帶的后處理只有數據的導出，云圖、位移和受力受扭等情況展示不明顯，因此可以用到第三方后處理軟件Ensight。在EDEM軟件后處理中可以直接選擇ExportResultDatatoEnsight，在Ensight軟件中只可以處理Geometry模型和Particle模型中的量，這是因為顆粒間的Bond鍵等只能在EDEM軟件中顯示。除了Ensight外，EDEM在和Fluent、Static structure等軟件進行耦合時，軟件仿真后的數據也可以將壓力等幾何體中的數據傳遞給ANSYSWorkbench。

圖5 EDEM軟件生成的顆粒

本次仿真僅需對排肥后的有機肥進行質量統計，可以直接在EDEM軟件中進行操作，在接肥板上將需要統計的有機肥用框線框住，對顯示的重量參數進行選擇，并讓參數顯示，如圖6所示。

圖6 后處理顆粒質量顯示圖

軟件中還可以對施肥量進行瞬時測量，在排肥裝置的出口位置放置一個同樣的矩形線框，以時間為橫坐標，可以對線框中的顆粒流進行監控，其中包括質量和顆粒的速度等，當排肥箱中的有機肥顆粒較多時，可以看出顆粒流的輸出比較穩定，與最后的顆粒有機肥質量統計趨勢相同。

3 結語

軟件仿真的興起對農業機械的教學起到了促進作用，不僅加深了學生們對各種機械結構的理解，還提高學生們理論聯系實際的水平。將EDEM離散元仿真軟件引入到教學中，是提高教學效率的一種較為有效的方式，能夠幫助學生快速掌握農業機械的CAD建模與分析，仿真后的結果不僅可以幫助學生理解農業機械的工作原理，更對實際的試驗具有指導意義，能很好地減少物力和財力的損失。通過對果園用顆粒有機肥排肥裝置的排肥仿真模擬，讓學生對軟件的操作流程更加熟悉，有利于加強對教學的應用和實踐。