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

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，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)過程中機械化程度越來越高，為保證農(nóng)機與農(nóng)藝相結(jié)合，對農(nóng)業(yè)機械的功能和性能提出了更高的要求。農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)品在進入市場之前，需要經(jīng)過大量的樣機試驗和參數(shù)調(diào)整，但傳統(tǒng)的理論分析和公式計算與現(xiàn)實的農(nóng)田環(huán)境差別較大，利用計算機虛擬技術(shù)作為輔助手段，分析農(nóng)業(yè)機械作業(yè)過程中工作狀態(tài)的方法日益增強，計算機虛擬技術(shù)的優(yōu)勢和強大的適應(yīng)能力逐漸凸顯出來[1-3]。隨著研究的深入，可以實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)機械多角度、全維度的深度研究，展示理論實踐機理，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)機械設(shè)計的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀，展望了離散元法在農(nóng)業(yè)機械設(shè)計領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，為離散元方法在農(nóng)機設(shè)計中的進一步應(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

離散元法將研究對象利用計算機模擬技術(shù)劃分成單獨的單元，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。在計算的過程中，可以實時地判斷出單元在每個單位時間的受力情況[4]。在離散元法計算過程中，利用循環(huán)計算法跟蹤需要計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算接觸模型之間的受力狀態(tài)，進而宏觀上分析整個工作過程中的運動規(guī)律。離散元法內(nèi)部計算邏輯見圖1。

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

1.2 離散元常見軟件和特點

全球首個商業(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 和他的團隊共同創(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)首個具有自主知識產(chǎn)權(quán)、使用效果較好的三維離散元CAD運動分析軟件，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，在進行離散元運動分析時，應(yīng)結(jié)合實際工況下的運動趨勢和理論分析，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動取得了不錯的成果。Chen等人通過建立不同的顆粒模型，模擬深松機在不同土壤條件下的作業(yè)狀態(tài)，優(yōu)化深松機工作部件的參數(shù)，并進行田間驗證，驗證結(jié)果與模擬試驗基本一致。Tsuji等人在前人研究的基礎(chǔ)上，對推土機的推土板進行進一步的優(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)計了振動式深松鏟，模擬不同振動頻率下的鏟刀對土壤的切削情況、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)時的運動狀態(tài)和運動軌跡[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，但隨著計算機的快速推廣與應(yīng)用，在離散單元方法方面也取得了長足的進步。張銳團隊在研究推土板與土壤之間的參數(shù)問題時，利用雙軸的壓縮試驗得到土壤顆粒參數(shù)，在計算機離散元軟件中進行光滑推土板和仿生推土板進行模擬仿真試驗，得到仿生推土板作業(yè)過程的波動頻率小于光滑的推土板波動頻率，仿生推土板比傳統(tǒng)的推土板破土能力更強。王燕在后掠式深松鏟設(shè)計中，利用離散元法分析后掠角度對作業(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行排種模擬仿真，模擬結(jié)果顯示：排種器在1 000 r/min 時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

第一，離散元計算機輔助軟件在模擬仿真或構(gòu)建顆粒模型時，需要大量的算力，對計算機的算力要求較大，且仿真時間較長。第二，在離散元仿真過程中對顆粒或模型的微觀參數(shù)達不到一個可參考的程度，且這類微觀參數(shù)對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，與實際的復(fù)雜工況略有差別，模擬仿真結(jié)果與實際的驗證試驗結(jié)果有一定的誤差，仿真結(jié)果與實際工況之間的參數(shù)轉(zhuǎn)換以及如何建立對應(yīng)模型需要加大相關(guān)研究深度。

4 展望

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