通过高速摄像机验证和离散元仿真研究残余薄膜切割与断裂的机理

《Results in Engineering》：Research on the mechanism of residual film cutting and fracture via high-speed camera validation and discrete element simulation

农业残留薄膜粉碎效率优化研究提出基于张拉-剪切混合准则的离散元建模方法，通过正交实验确定工具转速1117.1 r·min?1、预紧力0.783 N、刀片间隙0.699 mm时能量消耗最低（0.0334 J），物理验证误差仅1.32%，原型机粉碎合格率达89.2%。

　　农业残留膜的机械化破碎对于回收效率至关重要，但破碎不均会导致在再利用过程中服务寿命短且不稳定。本研究提出了一种基于拉伸-剪切混合准则的新型离散元建模方法，能够模拟切割过程中的撕裂和变形，从而提高工具性能。通过理论分析和初步模拟，识别了影响切割性能的关键参数。采用三因素三水平的Box-Behnken实验设计，对切割工具的旋转速度、膜的预拉力以及移动刀和固定刀之间的间隙进行了研究，工具能耗作为响应指标。该方法建立了因素与响应之间的数学模型，并通过Design-Expert软件进行优化，得到最优参数组合：工具速度为1117.1转/分钟，预拉力为0.783牛，刀具间隙为0.699毫米。在这些条件下，预测的能耗为0.0334焦耳。为了验证模拟结果，搭建了高速摄像机测试平台进行物理切割试验，实测能耗为0.0329焦耳，仅比预测低1.32%，表明模型具有较高的准确性。此外，还构建了原型破碎装置进行性能验证，平均合格膜破碎率为89.2%。研究结果为农业残留膜破碎装置的优化设计提供了有价值的参考，并为建模柔性材料如农业塑料膜提供了新的见解。

塑料覆盖技术具有减少土壤水分蒸发、提高土壤温度和湿度、增加作物产量等优势，广泛应用于经济作物的生产与种植。然而，农业残留塑料膜在自然条件下极难降解，导致严重的“白色污染”。目前，农业残留膜主要通过填埋、焚烧和回收进行处理。其中，填埋和焚烧容易造成土壤和地下水污染，进而影响作物产量。相比之下，农业残留膜的回收和再利用更符合绿色可持续发展的要求，对于推动绿色农业发展和构建循环经济体系具有重要意义。然而，目前农业残留膜在再利用过程中服务寿命短且不稳定，主要原因是破碎过程不均匀，导致膜碎片形状不规则。因此，迫切需要研究、开发和推广能够提高农业残留膜破碎均匀性的破碎技术与设备。

离散元模拟技术作为一种辅助研究工具，通过跟踪大量独立离散元素的运动和相互作用，模拟复杂系统的宏观机械行为。它在农业残留膜回收和分离过程的研究中得到了广泛应用，实现了回收和分离过程的可视化。例如，金团队通过离散元方法模拟了农业残留膜与杂质的分离过程，揭示了气流速度对悬浮分离效率的影响。方团队构建了农业残留膜与土壤的离散元模型，并基于CFD-DEM耦合模拟分析了土壤和农业残留膜在流场中的悬浮和流动特性。方团队还研究了农业残留膜的机械和拉伸性能，采用DEM-MBD耦合技术分析了弹性齿、农业残留膜和土壤之间的相互作用机制。虽然所构建的农业残留膜模型具有一定的柔软性，但其几何精度较差。沈团队模拟了农业残留膜的拉伸断裂过程，但断裂过程仅受到单一力的作用，无法准确模拟切割断裂过程中农业残留膜在剪切应力和拉伸应力共同作用下的撕裂和破碎。尽管上述研究者在该领域取得了一定成果，但基于EDEM构建的农业残留膜模型普遍存在厚度变形问题，无法准确描述农业残留膜的几何特性。

基于此，本研究提出了一种基于Rocky软件拉伸-剪切混合准则算法的新方法，用于构建农业残留膜的离散元模型。该方法通过定义壳层厚度，实现了对农业残留膜几何形状的精确描述，从而准确模拟农业残留膜在拉伸应力和剪切应力共同作用下的切割和断裂过程。以农业残留膜切割工具为研究对象，分析了农业残留膜与工具的相互作用机制，确定了农业残留膜的几何参数，构建了农业残留膜的离散元模型；通过理论分析和模拟实验，确定了影响膜破碎刀切割和断裂性能的结构参数和范围。采用三因素三水平的Box-Behnken中心复合正交模拟实验设计，以工具能耗为响应指标，实验因素包括工具速度、预拉力和移动刀与固定刀之间的间隙。实验因素的范围为：工具速度900-1500转/分钟，预拉力0-1.49牛，移动刀与固定刀间隙0.4-1毫米。根据Box-Behnken实验设计要求，实验分为17组，每组重复三次，取平均值作为该组的实验结果。使用Design Expert 13.0.15软件对实验数据进行处理，建立了实验因素与响应指标之间的拟合回归方程，确定了工具速度、预拉力和移动刀与固定刀间隙的最优组合，为农业残留膜切割和破碎系统选择工作参数提供了依据。实验因素的编码见表3。

为了验证模拟实验的可靠性和准确性，搭建了切割和破碎性能测试台。农业残留膜的两端通过夹持装置固定，电机速度控制移动刀的速度。使用高速摄像机观察塑料膜切割和破碎的动态过程，并记录切割时间，如图4所示。根据中心复合正交模拟实验，切割和破碎系统的最优工作参数组合为：工具旋转速度1117.118转/分钟，预拉力0.783牛，移动刀与固定刀间隙0.699毫米。为了便于加工和控制，最优结构工作参数被四舍五入为：工具速度1120转/分钟，移动刀与固定刀间隙0.7毫米，预拉力0.783牛。根据公式，当预拉力为0.783牛时，农业残留膜的拉伸长度为0.47毫米；根据公式，工具的回转半径r为40.311毫米。实验重复三次，取平均值作为实验结果。

在物理实验中，工具能耗无法直接测量。基于能量传递机制，本研究采用数学模型与实验数据相结合的方法，推导出工具能耗的理论值，从而实现对工具能耗的间接量化，进而计算工具能耗。工具速度与工具能耗之间的数学关系模型如公式所示。工具切割路径长度s为毫米，工具回转半径r为毫米，切向力F为牛，农业残留膜的剪切强度τ为兆帕，工具与农业残留膜接触长度L为毫米，农业残留膜厚度d为毫米，工具能耗E为焦耳，系统效率η为无量纲量。在模拟实验中，未考虑能量传递过程中的能量损失。为了验证模拟实验的准确性，计算过程中将传动系统效率η设定为常数1。

为了验证农业残留膜的切割和破碎效果，使用最优参数组合进行了切割和破碎性能测试。安装了一把刀片，利用其产生的负压吸附力来替代预拉力。破碎后和不合格的农业残留膜进行分类称重，以计算破碎膜的合格率Y?。计算公式如下：Y? = (m? - m?)/m? × 100%。其中，m?是破碎后农业残留膜的总质量，g；m?是破碎后农业残留膜的质量，g。测试结果表明，使用最优参数组合进行测试后，农业残留膜的破碎合格率为89.2%，满足废塑料回收的技术要求。

在模拟实验中，我们观察到农业残留膜的破碎过程受到多种因素的影响，包括工具速度、预拉力和刀具间隙。通过实验结果和方差分析，我们得出以下结论：农业残留膜的破碎时间与工具速度呈负相关，与切割功率呈正相关。当工具速度过高或过低时，会导致工具能耗增加。刀具间隙过大也会增加工具能耗，而间隙过小则可能导致刀具碰撞，从而损坏工具。根据之前模拟实验的结果，预拉力对工具能耗有影响。因此，选择工具速度、预拉力和刀具间隙作为实验因素，进行三因素三水平的Box-Behnken中心复合正交模拟实验，以工具能耗为响应指标。实验因素的范围为：工具速度900-1500转/分钟，预拉力0-1.49牛，刀具间隙0.4-1毫米。根据Box-Behnken实验设计要求，实验分为17组，每组重复三次，取平均值作为该组的实验结果。使用Design Expert 13.0.15软件对实验数据进行处理，建立了实验因素与响应指标之间的拟合回归方程，确定了工具速度、预拉力和刀具间隙的最优组合，为农业残留膜切割和破碎系统选择工作参数提供了依据。实验因素的编码见表3。

通过模拟实验，我们发现农业残留膜的破碎时间与工具速度呈负相关，切割功率与工具速度呈正相关。当工具速度过低时，破碎时间较长，切割功率较低；当工具速度过高时，破碎时间较短，切割功率较高。因此，工具速度对农业残留膜的破碎效果有重要影响。此外，刀具间隙对工具能耗也有显著影响。当刀具间隙过大时，破碎时间较长，工具能耗较高；当刀具间隙过小时，工具能耗较低，但刀具容易发生碰撞，从而损坏工具。预拉力对工具能耗也有影响，当预拉力较小时，破碎时间较长，工具能耗较高；当预拉力较大时，破碎时间较短，工具能耗较低。因此，预拉力对农业残留膜的破碎效果也有重要影响。基于上述分析，我们选择工具速度、预拉力和刀具间隙作为实验因素，进行三因素三水平的Box-Behnken中心复合正交模拟实验，以工具能耗为响应指标。实验因素的范围为：工具速度900-1500转/分钟，预拉力0-1.49牛，刀具间隙0.4-1毫米。根据Box-Behnken实验设计要求，实验分为17组，每组重复三次，取平均值作为该组的实验结果。使用Design Expert 13.0.15软件对实验数据进行处理，建立了实验因素与响应指标之间的拟合回归方程，确定了工具速度、预拉力和刀具间隙的最优组合，为农业残留膜切割和破碎系统选择工作参数提供了依据。实验因素的编码见表3。

通过模拟实验，我们得出以下结论：农业残留膜的破碎时间与工具速度呈负相关，切割功率与工具速度呈正相关。当工具速度过低时，破碎时间较长，切割功率较低；当工具速度过高时，破碎时间较短，切割功率较高。因此，工具速度对农业残留膜的破碎效果有重要影响。此外，刀具间隙对工具能耗也有显著影响。当刀具间隙过大时，破碎时间较长，工具能耗较高；当刀具间隙过小时，工具能耗较低，但刀具容易发生碰撞，从而损坏工具。预拉力对工具能耗也有影响，当预拉力较小时，破碎时间较长，工具能耗较高；当预拉力较大时，破碎时间较短，工具能耗较低。因此，预拉力对农业残留膜的破碎效果也有重要影响。基于上述分析，我们选择工具速度、预拉力和刀具间隙作为实验因素，进行三因素三水平的Box-Behnken中心复合正交模拟实验，以工具能耗为响应指标。实验因素的范围为：工具速度900-1500转/分钟，预拉力0-1.49牛，刀具间隙0.4-1毫米。根据Box-Behnken实验设计要求，实验分为17组，每组重复三次，取平均值作为该组的实验结果。使用Design Expert 13.0.15软件对实验数据进行处理，建立了实验因素与响应指标之间的拟合回归方程，确定了工具速度、预拉力和刀具间隙的最优组合，为农业残留膜切割和破碎系统选择工作参数提供了依据。实验因素的编码见表3。

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通过实验结果和方差分析，我们得出以下结论：农业残留膜的破碎时间与工具速度呈负相关，切割功率与工具速度呈正相关。当工具速度过低时，破碎时间较长，切割功率较低；当工具速度过高时，破碎时间较短，切割功率较高。因此，工具速度对农业残留膜的破碎效果有重要影响。此外，刀具间隙对工具能耗也有显著影响。当刀具间隙过大时，破碎时间较长，工具能耗较高；当刀具间隙过小时，工具能耗较低，但刀具容易发生碰撞，从而损坏工具。预拉力对工具能耗也有影响，当预拉力较小时，破碎时间较长，工具能耗较高；当预拉力较大时，破碎时间较短，工具能耗较低。因此，预拉力对农业残留膜的破碎效果也有重要影响。基于上述分析，我们选择工具速度、预拉力和刀具间隙作为实验因素，进行三因素三水平的Box-Behnken中心复合正交模拟实验，以工具能耗为响应指标。实验因素的范围为：工具速度900-1500转/分钟，预拉力0-1.49牛，刀具间隙0.4-1毫米。根据Box-Behnken实验设计要求，实验分为17组，每组重复三次，取平均值作为该组的实验结果。使用Design Expert 13.0.15软件对实验数据进行处理，建立了实验因素与响应指标之间的拟合回归方程，确定了工具速度、预拉力和刀具间隙的最优组合，为农业残留膜切割和破碎系统选择工作参数提供了依据。实验因素的编码见表3。

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通过实验结果和方差分析，我们得出以下结论：农业残留膜的破碎时间与工具速度呈负相关，切割功率与工具速度呈正相关。当工具速度过低时，破碎时间较长，切割功率较低；当工具速度过高时，破碎时间较短，切割功率较高。因此，工具速度对农业残留膜的破碎效果有重要影响。此外，刀具间隙对工具能耗也有显著影响。当刀具间隙过大时，破碎时间较长，工具能耗较高；当刀具间隙过小时，工具能耗较低，但刀具容易发生碰撞，从而损坏工具。预拉力对工具能耗也有影响，当预拉力较小时，破碎时间较长，工具能耗较高；当预拉力较大时，破碎时间较短，工具能耗较低。因此，预拉力对农业残留膜的破碎效果也有重要影响。基于上述分析，我们选择工具速度、预拉力和刀具间隙作为实验因素，进行三因素三水平的Box-Behnken中心复合正交模拟实验，以工具能耗为响应指标。实验因素的范围为：工具速度900-1500转/分钟，预拉力0-1.49牛，刀具间隙0.4-1毫米。根据Box-Behnken实验设计要求，实验分为17组，每组重复三次，取平均值作为该组的实验结果。使用Design Expert 13.0.15软件对实验数据进行处理，建立了实验因素与响应指标之间的拟合回归方程，确定了工具速度、预拉力和刀具间隙的最优组合，为农业残留膜切割和破碎系统选择工作参数提供了依据。实验因素的编码见表3。

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通过实验结果和方差分析