水稻机插秧作业系统刚柔流耦合动力学建模方法技术方案

本发明专利技术公开了一种水稻机插秧作业系统刚柔流耦合动力学建模方法，包括以下步骤：步骤1、建立分插机构模型；步骤2、建立水稻秧苗植株模型；步骤3、将分插机构模型、水稻秧苗植株模型按移栽作业时的相对位置进行集成，得到分插机构

【技术实现步骤摘要】
水稻机插秧作业系统刚柔流耦合动力学建模方法


[0001]本专利技术涉及水稻机插秧作业建模方法领域，具体是一种水稻机插秧作业系统刚柔流耦合动力学建模方法。

技术介绍

[0002]水稻增产对保障粮食安全和人民生活水平具有极其重要的作用，水稻机械移栽具有效率高、分布均匀、通风透气好等优点，可提高水稻抗倒伏和抗病虫害能力，达到增产增收的目的，是目前水稻移栽的主要方式。水稻大苗机械移栽可有效解决南方多熟制稻区茬口紧张等问题，实现作物周年绿色优质高效生产。但水稻大苗根系发达、重心高、韧性差，现有水稻插秧机栽插大苗时伤秧问题严重，秧苗茎秆损伤造成秧苗返青活棵慢、死苗率较高，作业质量难以保证，不利于秧苗移栽后正常发育生长，严重影响水稻产量和品质，因此需要对水稻机插秧作业系统进行建模，以便于水稻插秧机的优化设计。
[0003]水稻机插秧作业系统一般由分插机构、秧苗和水田土壤组成，秧苗机插作业质量受到分插机构结构与工作参数、秧苗素质和水田土壤特性的综合影响。分插机构作为水稻机械移栽的主要作业部件，主要由栽植臂、秧针、推秧器、偏心行星齿轮系等零部件组成。
[0004]水稻秧苗机插作业过程包括分秧、运秧、插秧、推秧和回程五个阶段。分秧阶段，秧苗茎秆进入秧针滑槽，秧针插入土壤基质将秧苗从苗毯中分离，易发生根、茎损伤；运秧阶段，根
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土复合体粘附在秧针上，并在秧针的带动下在空气中向下运动；插秧阶段，在秧针的作用下，将秧苗根部从空气插入水和泥浆中；推秧阶段，推秧器以较快的冲击速度作用在根
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土复合体上，将秧苗推离秧针；回程阶段，秧针和推秧器从泥浆中拔出回到取秧位置，对秧苗损伤影响较小，故回程阶段不在分析范围内。
[0005]鉴于水稻插秧机移栽田间作业工况复杂，涉及到机械、水稻秧苗植株(根
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土、茎、叶)和水田土壤(空气、水、泥浆)的交互耦合作用，且在泥浆中的互作机制难以观察和检测，以及大量互作参数难以通过试验获得全面和准确的数据，导致分插机构作业性能优化缺乏互作理论指导，因此存在水稻机插秧作业系统难以建模的问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术提供了一种水稻机插秧作业系统刚柔流耦合动力学建模方法，采用数值模拟方法探明水稻机插秧作业过程水田土壤
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水稻秧苗
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分插机构
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的互作机制，可为降低大苗伤秧率和优化分插机构结构参数和工作参数奠定理论基础，以解决现有技术水稻机插秧作业系统难以建模的问题。
[0007]为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案为：
[0008]一种水稻机插秧作业系统刚柔流耦合动力学建模方法，采用计算流体力学方法构建了基于分插机构
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水稻秧苗
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水田土壤耦合的水稻机插秧作业系统CFD模型，包括以下步骤：
[0009]步骤1、对水稻插秧机中的分插机构进行建模，得到分插机构模型；
[0010]步骤2、建立水稻秧苗植株模型；
[0011]步骤3、将步骤1建立的分插机构模型，以及步骤2建立的水稻秧苗植株模型，按移栽作业时的相对位置进行集成，得到分插机构
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水稻秧苗多体动力学模型；
[0012]步骤4、基于水田作业环境中不相融的空气相流体、水相流体和泥浆相流体，采用三元相场理论建立水田作业的环境模型；
[0013]步骤5、将步骤4得到的环境模型基于流固耦合理论耦合步骤3得到的分插机构
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水稻秧苗多体动力学模型，并将水稻移栽按耦合面的双向流固耦合问题进行处理，由此构建得到分插机构
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水稻秧苗
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水田土壤耦合的水稻机插秧作业系统CFD模型。
[0014]进一步的步骤1中，所述分插机构包括水稻插秧机的栽植臂、秧针、推秧器、偏心行星齿轮系等零部件。
[0015]进一步的步骤2中，获取水稻秧苗植株的X射线透射影像，基于X射线透射影像进行FDK数据重构，由此得到水稻秧苗植株的三维重构图，根据水稻秧苗植株的三维重构图构建水稻秧苗植株模型。
[0016]进一步的步骤4中，基于三元相场理论通过耦合Cahn Hilliard方程和Navier Stokes方程，跟踪空气相流体、水流相体和泥浆相流体彼此之间的界面，完成三相流流场建模，得到环境模型。
[0017]进一步的，环境模型建模时，通过体积毛细管力表征空气相流体、水相流体、泥浆相流体的表面张力。
[0018]进一步的步骤5中，对耦合面的双向流固耦合问题采用迭代法进行求解，通过耦合界面的迭代计算结果进行数据传递。
[0019]进一步的，步骤5还包括：采用四面体网格对建立的水稻机插秧作业系统CFD模型中的分插机构、水稻秧苗植株、流体域进行网格划分，并对分插机构、水稻秧苗植株周围的网格进行细化，并确定水稻机插秧作业系统CFD模型的边界条件。
[0020]进一步的，步骤5还包括：在水稻机插秧作业系统CFD模型中设置分插机构旋转速度与作业前进速度的实际作业参数，秧针与水稻秧苗植株的材料参数，分插机构、水稻秧苗植株以及泥浆流体之间的接触参数，泥浆流变特性参数。
[0021]本专利技术以水稻秧苗机插秧作业系统为研究对象，面向高标准水稻机插作业农田作业环境，分析实际作业参数下的水稻大苗机插作业过程；采用流固耦合理论将分插机构
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水稻秧苗多体动力学模型和空气
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水
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泥浆三相流流场模型耦合，构建刚柔流耦合的水稻机插秧作业系统CFD模型，并结合台架试验对CFD模型进行验证和修正，实现水稻秧苗机插作业过程的动态可视化分析，为水稻秧苗茎秆动力学参数和变形行为的监测提供高效分析工具。
[0022]本专利技术构建得到分插机构
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水稻秧苗
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水田土壤耦合动力学模型，在模拟水稻机插秧作业过程中秧苗动力学特性、力学行为、秧针作业载荷变化规律、水和泥浆流动特性等方面具有较高的分析精度，为水田复杂作业系统多体互作机制和水稻秧苗损伤演化规律的可视化分析以及机插作业性能监测与优化提供了有效的建模方法。
附图说明
[0023]图1是本专利技术实施例一方法流程框图。
[0024]图2为秧苗水稻秧苗植株模型简化的示意图。
[0025]图3是本专利技术实施例一中得到的分插机构
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水稻秧苗多体动力学模型图。
[0026]图4是本专利技术实施例一中得到的水稻机插秧作业系统CFD模型图。
[0027]图5是本专利技术实施例一中水稻机插秧作业系统的网格模型图。
[0028]图6为仿真与试验测试得到的秧针作业载荷曲线图。
具体实施方式
[0029]为了使本
的人员更好地理解本专利技术方案，以下将结合附图及实施例来详细说明本专利技术的实施方式，借此对本专利技术如何应用技术手段来解决技术问题，并达到相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本专利技术实施例以及实施例中的各个特征，在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水稻机插秧作业系统刚柔流耦合动力学建模方法，采用计算流体力学方法构建了基于分插机构
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水稻秧苗
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水田土壤耦合的水稻机插秧作业系统CFD模型，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、对水稻插秧机中的分插机构进行建模，得到分插机构模型；步骤2、建立水稻秧苗植株模型；步骤3、将步骤1建立的分插机构模型，以及步骤2建立的水稻秧苗植株模型，按移栽作业时的相对位置进行集成，得到分插机构
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水稻秧苗多体动力学模型；步骤4、基于水田作业环境中不相融的空气相流体、水相流体和泥浆相流体，采用三元相场理论建立水田作业的环境模型；步骤5、将步骤4得到的环境模型基于流固耦合理论耦合步骤3得到的分插机构
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水稻秧苗多体动力学模型，并将水稻移栽按耦合面的双向流固耦合问题进行处理，由此构建得到分插机构
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水稻秧苗
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水田土壤耦合的水稻机插秧作业系统CFD模型。2.根据权利要求1所述的水稻机插秧作业系统刚柔流耦合动力学建模方法，其特征在于，步骤1中，所述分插机构包括水稻插秧机的栽植臂、秧针、推秧器、偏心行星齿轮系等零部件。3.根据权利要求1所述的水稻机插秧作业系统刚柔流耦合动力学建模方法，其特征在于，步骤2中，获取水稻秧苗植株的X射线透射影像，基于X射线透射影像进行FDK数据重构，由此得到水稻秧苗植...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱德泉，耿子轩，薛康，熊玮，况福明，石梦豪，却锦楠，孙东东，侯瑞泽，
申请(专利权)人：安徽农业大学，
类型：发明
国别省市：