玉米籽粒的物理力学特性研究

玉米籽粒的物理力学特性是玉米相关机械设计和改进的基础数据,由于玉米籽粒形状不规则形的特点,其部分物理力学特性参数基于现有的测试方法很难获得准确值。随着计算机技术的发展,许多的学者采用数值模拟的方法对玉米相关机械展开研究,玉米籽粒的物理力学参数的准确性是影响其模拟结果精确性的主要原因之一。本文结合国家自然科学基金项目,采用试验和数值模拟的方法对玉米籽粒的部分物理力学特性进行研究,主要研究如下:(1)采用试验对德美亚一号玉米籽粒的含水率、密度、千粒重和三维几何尺寸进行了测定以及对玉米籽粒的形状进行了分类,基于自制静摩擦系数试验台对不同形状玉米籽粒的静摩擦系数进行了测定。(2)鉴于不规则形状颗粒碰撞后反弹方向具有随机性,本文利用镜面成像原理,研制了农业物料碰撞测试试验台,采用气吸装置实现颗粒自由落体,采用高度与角度调节螺栓实现颗粒的碰撞速度和碰撞角可调,利用高速摄像仪,获得颗粒碰撞后的空间反弹速度。(3)基于研制的农业物料碰撞测试试验台,分别对三种不同形状玉米籽粒与镀锌壁面和玉米籽粒面间的碰撞恢复系数进行了测定,分析了玉米籽粒不同碰撞部位、碰撞速度以及碰撞角对恢复系数的影响。结果表明玉米籽粒与镀锌壁面碰撞时,玉米籽粒碰撞速度越大,其碰撞恢复系数越小;玉米籽粒碰撞角越大,其碰撞恢复系数呈先减少后增加的趋势。玉米籽粒与籽粒面时,随着玉米籽粒碰撞速度和碰撞角的增加,其碰撞恢复系数逐渐减少。(4)从法向和切向上定义了玉米籽粒的碰撞恢复系数,研究了玉米籽粒碰撞角和反弹角与碰撞恢复系数之间的关系,分析了玉米籽粒与斜面碰撞后其恢复系数变化的原因。结果表明:玉米籽粒法向碰撞恢复系数随着碰撞角和反弹角的增加而增大,切向碰撞恢复系数随着碰撞角和反弹角的增加而变小,玉米籽粒碰撞后的旋转是影响其碰撞恢复系数变化的主要原因之一。(5)提出一种利用离散元DEM与物理试验相结合的方法对玉米籽粒群体滚动摩擦因数进行判定。通过自制试验平台获得玉米籽粒的碰撞恢复系数和静摩擦系数,基于离散元软件EDEM,对不同滚动摩擦因数下的玉米籽粒在镀锌板上的堆积进行了模拟,分析了滚动摩擦因数对堆积过程的影响。采用MATLAB图像处理技术对玉米籽粒堆积角进行了提取,并应用黄金分割法确定了玉米籽粒滚动摩擦因数的取值范围,进行单因素试验获得玉米籽粒滚动摩擦因数与其堆积角之间的关系,与物理试验结果对比确定了玉米籽粒间及玉米籽粒与镀锌板之间的滚动摩擦因数值。结果表明玉米籽粒滚动摩擦因数与其堆积角间为线性增加的关系,通过对比试验验证,本文获得的玉米籽粒的滚动摩擦因数值较精确。本文的研究结果可为玉米相关机械的设计改进以及玉米籽粒的离散元运动仿真研究提供依据,为农业物料中不规则形状颗粒的物理力学参数—碰撞恢复系数与滚动摩擦因数的测量方法提供了参考。