基于有限元分析的筒仓中稻谷重量的测量方法技术

本发明专利技术提供基于有限元分析的筒仓中稻谷重量的测量方法，涉及粮食测量领域。该测量方法，包括如下步骤：对稻谷进行三轴轴向压缩试验和各向等压压缩试验，计算得到稻谷修正剑桥模型的参数：临界状态应力比、等向膨胀指数、对数硬化模量和泊松比；将筒仓中未压实状态下的稻谷堆划分成

A method for measuring the weight of rice in silo based on finite element analysis

The present invention provides a method for measuring the weight of rice in a silo based on a finite element analysis, and relates to the field of grain measurement. The measuring method comprises the following steps: three to the rice axial compression test and isotropic compression test, the calculated rice modified Cambridge model parameters: the critical stress ratio, etc. to the swelling index, logarithmic hardening modulus and Poisson's ratio; will not state the silo compaction pile is divided into rice

【技术实现步骤摘要】
基于有限元分析的筒仓中稻谷重量的测量方法
本专利技术涉及粮食测量领域，具体涉及一种基于有限元分析的筒仓中稻谷重量的测量方法。
技术介绍
筒仓是储藏稻谷的主要仓型之一，是一种机械化程度最高的储粮容器，主要用于储藏散粮。稻谷是一种典型的散粒体，当储藏于筒仓中时，其静态特性表现为弹塑性，稻谷会受到自重、内摩擦力以及仓壁、仓底的支持力。稻谷堆的内部由于这些力的作用产生应力，从而产生弹性和塑性形变，稻谷堆的体积缩小，密度增大；随着粮层深度的增加，稻谷堆的压应力与切应力增大，体积应变增大，密度也随之增大；由于仓壁摩擦的影响，同一粮层不同圆环处的应力不同，应变不同，密度也不同。因此，筒仓中稻谷堆密度不是常量，而是空间位置的函数。粮食储藏数量检查是一项重要的粮食库存检查内容，目前的检测方法主要为称重法和体积密度法。称重法是指通过使用符合法定计量标准的衡器来称量粮食重量的检查方法，其优点是其测量结果一般能够准确反映被查粮食的实际数量，但是称重法具有工作量大、效率低等缺点，难以广泛应用于大规模的库存检查中。体积密度法是指通过测量计算粮堆的体积和粮食的表层密度，粮食的表层密度乘以修正系数来获取粮堆的平均密度，体积乘以平均密度得出仓内粮食总重量的检查方法。稻谷堆的平均密度因筒仓的几何尺寸、粮堆的高度、压缩特性、内摩擦特性及筒仓壁与粮食的摩擦特性的不同而不同，到目前为止，计算平均密度的修正系数是凭经验估计的。测量粮堆的密度分布的新方法正在研究之中，有研究者利用微波检测粮堆的密度，这个方法是通过测量微波在粮堆中通过时的介电常数，由介电常数与密度的关系而获取粮堆的密度，但这种方法不能测量筒仓深处的密度，因微波到达粮堆深处易被干扰，目前只能测量两米深处的粮堆密度。也有研究者在筒壁和底部安装力传感器，由仓壁和底部应力分布推出储粮总重量，但这种方法存在两个问题，一是由仓壁和底部应力分布堆出储粮总重量需要建立精准的数学模型，否则测算的误差大，二是成本大，难以推广。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于有限元分析的筒仓中稻谷重量的测量方法，该方法简单、耗时短、测量结果准确、精度高。本专利技术的目的采用如下技术方案实现。基于有限元分析的筒仓中稻谷重量的测量方法，其特征在于包括如下步骤：(1)对稻谷进行三轴轴向压缩试验和各向等压压缩试验，计算得到稻谷修正剑桥模型的参数：临界状态应力比M、等向膨胀指数κ、对数硬化模量λ和泊松比υ；(2)测量筒仓的内径d(单位是m)、高度H(单位是m)；测量筒仓中压实状态下稻谷堆的高度h(单位是m)，估算未压实状态下稻谷堆的高度h′(单位是m)；将筒仓中未压实状态下的稻谷堆划分成N层；每层稻谷堆由中心向外划分成中心轴线与筒仓中心轴线共线的M个单元，所述M个单元由1个圆柱和M-1个圆环柱组成，所述圆柱处于每层的中心；其中每层稻谷堆的各单元按照由中心向外依次编号其列数；共得到N×M个单元；各单元的应变与应力关系符合修正剑桥模型；应用大型有限元软件ABAQUS求解修正剑桥模型，得到压实状态下稻谷堆各单元的高度，根据式(A)分别计算筒仓内压实状态下稻谷堆的N×M个单元体积应变式(A)，式(A)中，n为层数(是自然数)，m为列数(是自然数)，是第n层、m列单元的体积应变，和是第n层、m列单元的三个主应变；根据式(B)分别计算N×M个单元密度的ρnm：(n＝1,2,…,N；m＝1,2,…,M)式(B)，式(B)中，n为层数(是自然数)，m为列数(是自然数)，ρnm是第n层、m列单元的密度，kg/m3；ρ0是稻谷堆表层的密度，kg/m3；是第n层、m列单元的体积应变；(3)根据式(C)计算每层稻谷堆的重量，式(C)中，Wn是第n层稻谷堆的重量，kg；；ρnm是第n层、m列单元的密度，kg/m3；hnm是压实状态下稻谷堆第n层、m列单元的高度；Rm表示第m列单元的外径(当m＝1时，R1是指圆柱的直径)；n为层数(是自然数)，m为列数(是自然数)，n＝1,2,…,N；m＝1,2,…,M；采用式(D)计算出筒仓内稻谷堆的总重量W：式(D)中Wn是第n层稻谷堆的重量，n＝1,2,…,N。每层稻谷堆的各单元按照由中心向外依次编号其列数，具体编号方法如下：中心处的圆柱为第1列，然后依次向外编号为第2列，直至第M列。将每层稻谷堆划分成5个单元的示意图见图1。在本专利技术中，稻谷堆的压实状态是指稻谷堆装入筒仓后的堆积状态。稻谷堆的未压实状态是指重力未施加时稻谷堆的堆积状态。在本专利技术中，所述稻谷堆表层是指稻谷堆表面至0.5米深度处的稻谷层。稻谷堆表层所受重力可以忽略。在本专利技术中，N取值为：h′≤N≤2h′，h′为未压实状态下稻谷堆的高度，m；M取值为：0.5R≤M≤2R，R为稻谷堆的半径，m。在本专利技术中，h′取值如下：当2m<h≤5m时，1.04<h′/h≤1.06；当5m<h≤10m时，1.06<h′/h≤1.10；当10米<h≤15米时，1.10<h′/h≤1.14；当15米<h≤20米时，1.14<h′/h≤1.17；当20米<h≤25米时，1.17<h′/h≤1.19；当25米<h≤30米时，1.19<h′/h≤1.20；其中h是筒仓中压实状态下稻谷堆的高度。上述h′的取值是采用如下方法估算得到的：根据压实状态下稻谷堆的高度h，假设一h′值，由上述基于有限元分析的筒仓中稻谷重量的测量方法，得到压实状态下稻谷堆的N×M个单元的高度(轴向的长度)，从而得到压实状态下稻谷堆的高度h，若则假设的h′的值对了；若则增大h′，若则减小h′；再一次由上述基于有限元分析的筒仓中稻谷重量的测量方法，得到压实状态下粮堆的高度再比较与h，直到为止。在本专利技术中，步骤(1)中稻谷的修正剑桥模型参数M、κ、λ和υ通过SLB-6A型应变控制式三轴仪(南京土壤仪器厂有限公司制造)进行三轴轴向压缩和各向等压压缩试验后计算得到。采用三轴轴向压缩试验确定临界状态应力比M，包括如下步骤：装入稻谷样品，分别设定围压为30、50、70、90、110kPa，启动SLB-6A型应变控制式三轴仪施加轴向力对样品进行轴向压缩，稻谷样品轴向位移每增加0.4mm，记录一次测力计的应力值读数和样品体积减少量，直至测力计读数出现峰值时，记下测力计读数峰值q及对应的平均压应力p，以p为横坐标q为纵坐标作图，经一元线性回归得直线的斜率，该斜率即为临界状态应力比M；采用各向等压试验确定对数硬化模量λ和等向膨胀指数κ，包括如下步骤：装入稻谷样品，使围压σ3从0kPa按照每次增加5kPa依次增加至200kPa，记录加载过程中围压σ3和对应的样品体积减少量；再按照每次减小5kPa将围压由200kPa依次卸载至0kPa，记录卸载过程中围压σ3和对应的样品体积增加量；绘制加载曲线和卸载曲线；经一元线性回归，将加载曲线的斜率作为λ，将卸载曲线的斜率作为κ；加载曲线和卸载曲线的横坐标为lnp,纵坐标为e，e是稻谷堆孔隙比，按下式计算：e＝V/[V0(1-ε0)]-1；式中，V0是稻谷样品初始体积，m3；V是稻谷样品受压体积，m3；ε0是稻谷堆表层孔隙率；p是平均压应力,kPa。采用三轴轴向压缩试验测量弹性模量E和泊松比υ，包括如下步骤：装入稻谷本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于有限元分析的筒仓中稻谷重量的测量方法，其特征在于包括如下步骤：(1)对稻谷进行三轴轴向压缩试验和各向等压压缩试验，计算得到稻谷修正剑桥模型的参数：临界状态应力比M、等向膨胀指数κ、对数硬化模量λ和泊松比υ；(2)测量筒仓的内径d、高度H；测量筒仓中压实状态下稻谷堆的高度h，估算未压实状态下稻谷堆的高度h′；将筒仓中未压实状态下的稻谷堆划分成N层；每层稻谷堆由中心向外划分成中心轴线与筒仓中心轴线共线的M个单元，所述M个单元由1个圆柱和M‑1个圆环柱组成，所述圆柱处于每层的中心；其中每层稻谷堆的各单元按照由中心向外的方向依次编号其列数；共得到N×M个单元；各单元的应变与应力关系符合修正剑桥模型；应用大型有限元软件ABAQUS求解修正剑桥模型，得到压实状态下稻谷堆各单元的高度，根据式(A)分别计算筒仓内压实状态下稻谷堆的N×M个单元体积应变

【技术特征摘要】
1.基于有限元分析的筒仓中稻谷重量的测量方法，其特征在于包括如下步骤：(1)对稻谷进行三轴轴向压缩试验和各向等压压缩试验，计算得到稻谷修正剑桥模型的参数：临界状态应力比M、等向膨胀指数κ、对数硬化模量λ和泊松比υ；(2)测量筒仓的内径d、高度H；测量筒仓中压实状态下稻谷堆的高度h，估算未压实状态下稻谷堆的高度h′；将筒仓中未压实状态下的稻谷堆划分成N层；每层稻谷堆由中心向外划分成中心轴线与筒仓中心轴线共线的M个单元，所述M个单元由1个圆柱和M-1个圆环柱组成，所述圆柱处于每层的中心；其中每层稻谷堆的各单元按照由中心向外的方向依次编号其列数；共得到N×M个单元；各单元的应变与应力关系符合修正剑桥模型；应用大型有限元软件ABAQUS求解修正剑桥模型，得到压实状态下稻谷堆各单元的高度，根据式(A)分别计算筒仓内压实状态下稻谷堆的N×M个单元体积应变其中(A)中n为层数，m为列数，是第n层、m列单元的体积应变，和是第n层、m列单元的三个主应变；根据式(B)分别计算N×M个单元的密度ρnm：式(B)中，n为层数，m为列数，ρnm是第n层、m列单元的密度；ρ0是稻谷堆表层的密度，是第n层、m列单元的体积应变；(3)根据式(C)计算每层稻谷堆的重量，式(C)中，Wn是第n层稻谷堆的重量；ρnm是第n层、m列单元的密度；hnm是压实状态下稻谷堆第n层、m列单元的高度；Rm表示第m列单元的外径；n为层数，m为列数，n＝1,2,…,N；m＝1,2,…,M；采用式(D)计算出筒仓内稻谷堆的总重量W：式(D)中Wn是第n层稻谷堆的重量，n＝1,2,…,N。2.根据权利要求1所述基于有限元分析的筒仓中稻谷重量的测量方法，其特征在于所述稻谷堆表层是指稻谷堆表面至0.5米深度处的稻谷层。3.根据权利要求1或2所述基于有限元分析的筒仓中稻谷重量的测量方法，其特征在于N取值为：h′≤N≤2h′，h′为未压实状态下稻谷堆的高度；M取值为：0.5R≤M≤2R，R为稻谷堆的半径。4.根据权利要求3所述基于有限元分析的筒仓中稻谷重量的测量方法，其特征在于：h′取值如下：当2m<h≤5m时，1.04<h′/h≤1.06；当5m<h≤10m时，1.06<h′/h≤1.10；当10m<h≤15m时，1.10<h′/h≤1.14；当15m<h≤20m时，1.14<h′/h≤1.17；当20m<h≤25m时，1.17<h′/h≤1.19；当25m<h≤30m时，1.19<h′/h≤1.20；其中h是筒仓中压实状态下稻谷堆的高度。5.根据权利要求4所述基于有限元分析的筒仓中稻谷重量的测量方法，其特征在于步骤(1)所述稻谷的修正剑桥模型参数M、κ、λ和υ通过SLB-6A型应变控制式三轴仪进行三轴轴向压缩和各向等压压缩试验后计算得到。6.根据权利要求5所述基于有限元分析的筒仓中稻谷重量的测量方法，其特征在于：采用三轴轴向压缩试验确定临界状态应力比M，包括如下步骤：装入稻谷样品，分别设定围压为30、50、70、90、110kPa，启动SLB-6A型应变控制式三轴仪施加轴向力对样品进行轴向压缩，稻谷样品轴向位移每增加0.4mm，记录一次测力计的应力值读数和样品体积减少量，直至测力计读数出现峰值时，记下测力计读数峰值q及对应的平均压应力p，以...

【专利技术属性】
技术研发人员：程绪铎，许倩，杜小翠，
申请(专利权)人：南京财经大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32