基于多球模型的大豆籽粒颗粒的建模、仿真与验证

作者：王扬 在读博士
学校：吉林大学

摘要：
在采用离散元法对大豆籽粒进行建模时需要事先确定大豆籽粒的几何形状。利用三维扫描仪可以很轻松的获得大豆籽粒外部轮廓的几何信息。将扫描得到的大豆籽粒外部轮廓的点云数据与标准椭球（其三轴尺寸与扫描大豆籽粒相同）进行对比，发现二者差距较小，因此可以将大豆籽粒近似成椭球。在此假设的基础上，采用多球建模方法（multi-sphere method）通过在标准椭球内部填充内切（组成）球的方式建立大豆籽粒的几何模型。定义了填充精度的概念，用来评价所建立的多球模型的优劣。以填充精度为目标，采用最优理论对所有组成球信息进行优化进而最终确定大豆籽粒的颗粒模型。本文以四个品种的大豆籽粒为研究对象，分别在EDEM中建立了他们的颗粒模型。为了解决多球模型中的“多接触点”问题，本文采用赫兹-明德林新恢复模型（Hertz-Mindlin newrestitution model）来计算颗粒之间以及颗粒与壁面之间的接触作用力。通过大豆籽粒的静态休止角、成堆时间以及初始孔隙率的仿真值与试验值的对比，发现二者较为接近，进而验证了本文所提出的建模方法的有效性和可行性。本文的工作为椭球形颗粒的离散元建模、仿真与验证提供了参考。

图题：

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图1 单个大豆籽粒多球模型与标准椭球的对比
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图2 最高填充精度下四个品种大豆籽粒的多球模型
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图3 不同填充精度下云南农家豆（LSYN）大豆籽粒的多球模型
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图4 四川农家豆（LSSC）堆积过程的仿真视频
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图5 沂蒙山笨大豆（LSYM_L）堆积过程的仿真视频
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图6 沂蒙山小黄豆（LSYM_S）堆积过程的仿真视频
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图7 云南农家豆（LSYN）堆积过程的仿真视频
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