物料清选是谷物机械化收获中的关键组成部分,清选装置的工作性能对整个收获过程中的损失率、含杂率等影响显著。随着计算机技术的发展,数值模拟技术在农业物料清选研究中得到了大量应用。特别是近年来,越来越多的科研工作者采用离散元及其与计算机流体动力学耦合的方法对无(有)流场下农业物料清选过程进行研究,大大促进了农业物料分离理论的探索以及清选装置的研发。然而,离散元模拟技术极大地依赖于所建立的模型,建模精度直接决定了模拟结果的准确性,现有研究在农业物料清选离散元建模中还存在物料模拟参数研究较少、接触模型和物料模型有待优化等不足,严重制约了离散元法在物料清选中的应用。本文针对以上不足,以清选装置中小麦颗粒(后续简称麦粒)和短茎秆为研究对象,对麦粒和短茎秆离散元模拟参数的直接测量和虚拟标定、麦粒粘弹塑性接触模型以及柔性茎秆模型构建进行了研究,主要研究内容和结论如下:(1)小麦脱出混合物获取及其物性分析通过收集出粮口和筛尾排杂口混合物得到了4LZ-6B1型自走轮式谷物联合收割机小麦脱出混合物。采用直接测量方法对脱出混合物中麦粒和短茎秆离散元模拟所需物性参数进行测量,并结合数据分布检验、奇异值校验以及变异系数等统计学分析方法对测量结果进行处理和分析,得到了两种物料的几何尺寸、密度、弹性/剪切模量、恢复系数以及静摩擦系数,为后续麦粒和短茎秆离散元建模提供了依据,也为麦粒和短茎秆等农业物料离散元模拟参数的直接测量提供了指导。(2)麦粒离散元模拟参数虚拟标定研究通过Plackett-Burman试验设计方法对两种典型休止角试验(圆筒提升和动态旋转鼓)中5球麦粒模型离散元模拟参数进行了显著性分析,并在此基础上通过Box-Behnken试验设计方法定性和定量地研究了两种休止角试验对标定结果的影响,结果表明两种休止角试验对模拟参数标定结果影响很大。在此基础上通过Box-Behnken试验设计方法建立了19球麦粒模型动态休止角与麦粒-麦粒静摩擦系数、麦粒-钢板静摩擦系数和麦粒-麦粒滚动摩擦系数的回归模型,求解得到三者的最佳组合为0.18、0.23和0.043,旋转鼓和振动筛分验证试验表明所标定的模拟参数能够很好地模拟麦粒动态休止角及其在筛下的分布规律。为进一步分析振动筛分中模拟参数的显著性,本研究还通过Plackett-Burman试验设计方法对所建立的两种麦粒模型离散元模拟参数进行了筛选,结果表明在本文中所采用的研究条件和评价指标下,麦粒-麦粒静摩擦系数、麦粒-麦粒恢复系数以及麦粒-钢板静摩擦系数对两种麦粒模型平均速度影响显著,而其余模拟参数影响不大,且不论是5球模型还是19球模型,麦粒-麦粒静摩擦系数的影响远大于其余两个影响显著的模拟参数,因此在振动筛分模拟中要特别注意麦粒-麦粒静摩擦系数的确定。(3)麦粒粘弹塑性接触模型构建及其在振动筛分中的运动研究基于现有离散元接触模型,通过EDEM软件接触模型API和C++语言,构建了一种麦粒粘弹塑性接触模型并对其模拟参数进行了标定,振动筛分验证试验表明所建立的粘弹塑性接触模型和标定的模拟参数能够很好地模拟筛下麦粒分布。基于所建立的麦粒粘弹塑性接触模型和标定的模拟参数,研究了不同喂入量下振动参数对麦粒运动的影响,结果表明:(1)喂入量的增加会减小筛面上方麦粒平均速度,因此在振动筛分研究中,应该考虑喂入量的影响;(2)随着振幅(20 mm~40 mm)和频率(3 Hz~7 Hz)的增加,麦粒平均速度均近似线性增加,但两种喂入量下麦粒平均速度的差异逐渐减小;(3)当喂入量为10000个/秒时,振动方向角(10°~30°)对麦粒平均速度几乎没有影响,但当喂入量为20000个/秒时,随着振动方向角增大,麦粒平均速度逐渐增大,二者之间的关系可以通过二次多项式方程很好地拟合;(4)相较于振幅和频率,筛面倾角(0°~4°)对麦粒平均速度影响相对较小,但两种喂入量下麦粒平均速度随筛面倾角增大呈现出截然相反的变化趋势。(4)柔性茎秆建模及其在水平流道中的运动研究基于Hertz-Mindlin with bonding接触模型,通过EDEM软件颗粒工厂API和C++语言,构建了一种分段柔性茎秆模型,并通过三点弯曲试验对其粘结参数进行了灵敏度分析,结果表明茎秆弯曲弹性模量随粘结半径、法向和切向粘结刚度的增加而增大,且法向粘结刚度的影响大于切向粘结刚度。在此基础上,基于Box-Behnken试验设计方法构建了茎秆弯曲弹性模量与粘结参数的回归模型并对其进行优化,得到粘结半径、法向和切向粘结刚度的最佳组合为2.57 mm、2.35×10~9 N/m~3和7.91×10~9 N/m~3。通过EDEM-Fluent耦合技术对不同长度和初始姿态的刚性和柔性茎秆模型在水平气流通道中的运动进行了研究并与试验结果进行对比,结果表明:相较于目前广泛使用的刚性茎秆模型,所建立的柔性茎秆模型能够更好地模拟茎秆X向位移,且其模拟结果受茎秆长度的影响很小(试验结果表明茎秆长度对其X向位移影响不显著);所建立的柔性茎秆模型能够模拟流场导致的茎秆姿态变化。此外,该柔性茎秆模型有效地解决了EDEM-Fluent耦合中网格尺寸不小于短茎秆尺寸的限制。