基于EDEM的玉米子粒建模方法的研究
王美美;王万章;杨立权;侯明涛
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【摘 要】以玉米子粒为研究对象,通过三维光栅扫描技术获取其真实外形轮廓,将其作为几何体导入到EDEM软件中,采用半径为0.5 mm的球颗粒自动填充满几何体后,根据球颗粒坐标数据对离散元模型API文件进行修改,在EDEM软件中重新导入该API文件即可自动生成玉米籽粒三维离散元模型.采用无底圆筒法在EDEM软件中对玉米子粒扫描自动填充模型和常规方法手动填充模型进行堆积角的离散元模拟试验,并与实际玉米子粒堆积角试验进行对比分析.结果表明,自动填充模型和手动填充模型所得堆积角与实际试验结果误差分别为4.45%和17.54%,证明了扫描自动填充模型更接近真实的玉米子粒,仿真精度更高.%This paper focud on maize kernel,and its profile model scanned by AICON-Breuckmann Smartscan scanner was imported into the software EDEM as the geometrical body. After the geometrical body was filled with 0.5 mm radius spherical particles, the API file of discrete element model was modified bad on the coordinate data of spherical particles. The maize kernel 3D discrete element model was created automatically when the API file was re-imported into the softwa
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re EDEM. The re-po angle simulation tests were conducted by bottomless cylinder for two models using the software EDEM,model 1 filled automatically bad on scanning and model 2 filled manually bad on conven-tional method,and were compared with the real maize kernel repo angle test. The results indicate that the error between the two model simulation test results and the actual test was 4.45% and 17.54%, respectively which demonstrated that the model filled automatically bad on scanning could better fit the actual maize kernel,with higher accuracy.
【期刊名称】《河南农业大学学报》
【年(卷),期】初三语文古诗2018(052)001
【总页数】6页(P80-84,103)
【关键词】玉米;子粒;离散元模型;自动填充;堆积角
【作 者】王美美;王万章;杨立权;侯明涛
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【作者单位】河南农业大学机电工程学院,河南 郑州450002;安阳工学院机械工程学院,河南 安阳455000;河南农业大学机电工程学院,河南 郑州450002;河南农业大学机电工程学院,河南 郑州450002;河南农业大学机电工程学院,河南 郑州450002
【正文语种】中 文
【中图分类】S220.1;TP391.9
离散元法作为一种颗粒离散体物料的分析方法，将物料颗粒看做由一系列离散的独立运动的单元组成，根据离散物质本身所具有的离散特性建立数学模型，将需要分析的物体看做离散颗粒的集合，这与离散物质本身所具有的离散特性相一致。因此，离散元法在分析农业物料时具有很大的优越性，在农业工程领域的研究中不断得到应用和推广[1-3]。由于球形接触状态易于检测，计算机内存需求少，处理时间短等原因，离散元仿真通常选用球形作为颗粒模型[4-6]。而农作物种子形状多为不规则体，颗粒模型又是影响仿真结果的重要参数[7]，采用形状规则的颗粒模型无法模拟真实颗粒之间的咬合、翻滚等特性[8]，且在各向异性、颗粒流动性能等方面形状规则的颗粒和真实颗粒也存在本质区别[9-11]。目前，对于不规则农作物种子的离散元建模方法，普遍采用多球组合形成一个具有固定空间关系的
颗粒组合体的方式来实现。该方法通常需要手动测量种子实际外形尺寸，再将其进行简化，然后采用多个球体进行填充[12-17]。农作物种子外形多为不规则体，精确测量难度较大，误差也较大。近年来，随着三维扫描技术的发展，采用三维扫描可以快速、准确地获得农作物种子的外形模型。蒙建国等[18]采用三维扫描技术实现了对不规则马铃薯的三维建模，刘彩玲等[19]通过三维激光扫描得到水稻种子的三维模型，后将其模型进行分区，采用小球颗粒聚合体填充方法建立水稻种子离散元模型。一般农作物种子尺寸较小，形状不规则，填充采用的球颗粒半径越小越能接近真实形状，但所需小球数量较多，若采用手动填充球颗粒无法精确确定其位置，建模易存在误差且费时费力。因此，寻求一种三维扫描自动填充模型的离散元建模方法对于农作物种子离散元仿真至关重要。本研究以玉米子粒为研究对象，采用三维扫描仪精确获得玉米子粒三维外形轮廓数据，对其进行逆向建模处理，通过对离散元模型API文件进行修改，自动生成玉米子粒三维离散元模型。该模型还可为精确仿真玉米子粒在脱粒过程中的破碎形态提供基础，并为不规则农作物种子离散元仿真试验提供了一种更精确、更高效的建模方法。
1 玉米子粒三维离散元模型的建立
1.1 三维扫描玉米子粒模型的获取
1.1.1 玉米子粒的三维扫描 采用德国AICON-Breuckmann Smartscan R2扫描仪，该系统由光栅式三维扫描仪和扫描软件构成, 相机分辨率为1 600×1 200像素。由于玉米子粒较小，扫描时采用镜头视场尺寸90 mm×65 mm、测量景深40 mm、X、Y轴分辨率55 μm、Z轴极限分辨率7 μm、特征精度10 μm的镜头。通过大头针将玉米子粒固定在工作台上的一个参照物上，放置在镜头前合适位置，采用白光拍照式扫描方式，通过多个视角拍摄玉米子粒的任意侧面，选用玉米品种为桥玉八号，选用一般尺寸大小无残缺有代表性的玉米子粒，其外形轮廓如图1a所示。通过三维光栅扫描获得的玉米子粒扫描模型如图1b所示。
图1 玉米子粒扫描建模过程Fig.1 The scanned modeling process of maize kernel
1.1.2 模型扫描数据的处理 由于扫描得到的模型数据会不可避免地引入数据误差，尤其是模型尖锐边界部位的数据。因此，需要对扫描模型进行修复。为方便玉米子粒三维离散元模型填充，需要对玉米子粒细微凹凸的表面进行平滑处理。
将格式为.stl格式的玉米籽粒三维空间数据文件导入到Geomagic Studio软件中，进行逆向建模处理，通过删除噪声点、缩减表面三角形数量，并封装合并三角面片化，对模型进行光滑处理最终获得逼近玉米子粒实际外形的.stl格式的扫描模型如图1c所示。玉米子粒在扫
描过程中有一个参考坐标系，将处理后的扫描模型导入Solidworks软件中将继续沿用这一坐标，为方便观察、操作需将坐标进行摆正，并将原点坐标调整至模型内部，便于在EDEM软件中进行球颗粒自动填充。
王孙贾1.2 玉米子粒离散元模型
1.2.1 自动填充玉米子粒建模 EDEM软件一般采用多球组合的方式对不规则粒子进行建模，多球模型会使用模板来辅助完成创建粒子原型。填充模板的球颗粒数量越多，半径越小，越能精确地还原真实玉米颗粒的外形轮廓，但考虑到计算机仿真的运算量，球体数量会控制在一定范围内。本研究采用填充球体的半径为0.5 mm，经试验，填充满玉米子粒模型需要352个，采用手动填充方式不现实。因此，在EDEM软件中对扫描获得的玉米籽粒模型进行自动填充的建模方式更加高效、方便、准确。
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首先，将Solidworks软件中导出的格式为.stl格式的玉米子粒三维模型作为几何体导入到EDEM软件中，通过调整视图使玉米子粒果柄部位朝上，使球颗粒生成过程中可优先填充到下部较大区域，减少填充空隙如图2a所示。定义颗粒工厂在玉米子粒模型内部上端，动态生成的球颗粒以一定的初速度向上运动碰到边界后逐渐沉落至玉米籽粒模型内，颗粒接
触方式为Hertz-Mindlin无滑移接触模型，为使球颗粒填充流动性较好，设定较小的碰撞恢复系数和动、静摩擦系数，为使填充空隙更致密，重力加速度设置较大。待球颗粒填充满模型后，在EDEM后处理界面中导出所有球颗粒球心坐标.csv格式的数据文件，对文件进行数据处理。将仿真时间归零，导出.xml格式的dec文件，将处理后的球颗粒球心坐标数据插入dec文件中，在新建的 EDEM文件particle项中导入此dec文件后，EDEM软件会根据自动生成玉米子粒模型，并将其作为颗粒模板可直接调用。最终得到玉米籽粒自动填充模型如图2b所示。
图2 玉米子粒离散元模型Fig.2 Discrete element model of maize kernel
为验证自动填充效果，采用如下公式：
信息管理专业α·VReal=N·VFraction
(1)
(2)
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式中：α为填充体积分数；VReal为被填充物体的实际体积；N为填充球颗粒数量；VFraction为填充球颗粒体积；R为填充球颗粒半径。
填充体积分数α=0.56时填充效果达到最好，本文创建的玉米子粒模型可通过三维软件Solidworks分析得到玉米子粒体积VReal为327.542 mm3，填充球颗粒半径为0.5 mm，填充球颗粒数目N为352，通过计算可得该方法填充体积分数为0.563，填充效果良好。
1.2.2 手动填充玉米子粒建模 手动填充模型时先将玉米子粒外形简化处理为近似棱台形，其大端、小端、厚度等分别取真实玉米子粒三维尺寸平均值，在Solidworks软件中完成玉米子粒三维建模，生成.igs格式文件并导入到EDEM软件中作为手动填充模型的模板。
