IJABE | 红花生物力学特性的离散元建模与参数标定

IJABE | 红花生物力学特性的离散元建模与参数标定阅读文章原文 http ijabe net article doi 10 25165 j ijabe 8857 红花生物力学特性的离散元建模与参数标定张振国 1 2 曾 超 1 2 邢振宇 1 2 许 鹏 1 2 郭全峰 1 2

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IJABE | 红花生物力学特性的离散元建模与参数标定

红花生物力学特性的离散元建模与参数标定

张振国1,2*,曾 超1,2,邢振宇1,2,许 鹏1,2,郭全峰1,2,史瑞猛1,2,王蕴泽1,2

(1. 新疆农业大学机电工程学院,乌鲁木齐 ,中国;

2. 新疆农业大学新疆智能农业装备重点实验室,乌鲁木齐 ,中国)

摘要:了解红花的生物力学特性对设计红花收获机械和优化收获过程至关重要。红花是一种柔性作物,缺乏相关的仿真参数,给收获机械的仿真设计带来困难。

该研究提出了一种红花参数标定方法通过测量红花的几何参数、密度、泊松比和弹性模量等内在参数,建立红花离散元模型,采用物理和仿真试验相结合的方法标定接触和粘结参数。接触参数选择Hertz-Mindlin(no slip)模型进行花丝堆积角试验,首先采用常规两水平因子设计确定显著因素,再进行最陡爬坡试验,最终通过Box-Behnken试验获得红花接触参数数值。粘结参数选择Hertz-Mindlin model with bonding模型进行红花剪切试验,通过中心复合设计试验获得红花粘结参数数值。

试验结果表明,花丝堆积角试验的相对误差为3.19%剪切试验的最大剪切力相对误差为5.29%。红花的离散元仿真参数标定准确,可为红花离散元仿真研究和关键部件设计提供参考。

关键词:红花;DEM;参数标定;剪切试验;生物力学特性

DOI:10.25165/j.ijabe..8857

引用信息: Zhang Z G, Zeng C, Xing Z Y, Xu P, Guo Q F, Shi R M, et al. Discrete element modeling and parameter calibration of safflower biomechanical properties. Int J Agric & Biol Eng, 2024; 17(2): 37–46.

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Discrete element modeling and parameter calibration of safflower biomechanical properties

Zhenguo Zhang1,2* , Chao Zeng1,2 , Zhenyu Xing1,2 , Peng Xu1,2 , Quanfeng Guo1,2 , Ruimeng Shi1,2 , Yunze Wang1,2

(1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Xinjiang Agricultural University, Urumqi , China;

2. Key Laboratory of Xinjiang Intelligent Agricultural Equipment, Xinjiang Agricultural University, Urumqi , China)

Abstract:Understanding the biomechanical properties of safflowers is essential for appropriately designing harvesting machinery and optimizing the harvesting process. Safflower is a flexible crop that lacks a basis for relevant simulation parameters, which causes difficulties in designing harvesting machinery. In this study, a calibration method for safflowers was proposed. First, a discrete element model was established by measuring the intrinsic parameters of a safflower, such as its geometric parameters, density, Poisson’s ratio, and modulus of elasticity. Second, the contact and bonding parameters were calibrated using a combination of physical and simulation tests. In the contact parameter tests, the Hertz-Mindlin (no-slip) model was implemented for the stacking angle tests conducted regarding the safflower filament. A regular two-level factorial design was used to determine the important factors and perform the steepest climb test. Moreover, the Box-Behnken design was adopted to obtain the optimal contact parameters. In the bonding parameter tests, the Hertz-Mindlin model with bonding contact was applied for the safflower shear simulation tests; moreover, the optimum bonding parameters were obtained through the central composite design test. The results demonstrated that the relative errors between the simulated and measured stacking angles and maximum shear were 3.19% and 5.29%, respectively. As a result, the safflower simulation parameters were accurately calibrated, providing a reference for appropriately setting the simulation parameters and designing key mechanical components.

Keywords: safflower, DEM, parameter calibration, shear test, biomechanical properties

DOI: 10.25165/j.ijabe..8857

Citation: Zhang Z G, Zeng C, Xing Z Y, Xu P, Guo Q F, Shi R M, et al. Discrete element modeling and parameter calibration of safflower biomechanical properties. Int J Agric & Biol Eng, 2024; 17(2): 37–46.

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