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基于离散元法的精密排种器分析设计软件开发研究

刘振宇  
【摘要】:农业机械工作时,往往伴随着散粒农业物料的流动过程。如播种机播种时,始终存在着种子、肥料、土壤的流动;翻耕农田时,始终存在着土壤的运动;农产品收获、输送、分级、加工和包装等,也始终存在着相关散粒物料的运动。 散粒物料的性质介于固体和流体之间,虽然颗粒结构简单,却具有复杂的力学特性。采用传统力学方法只能把散粒群体作为一个整体来考虑,无法分析散粒群体中颗粒间的相互作用及其对整体运动的影响,因而不能很好地解决这一问题。目前进行有关农业机械设计时,只能依靠经验或试验方法,既费时费力又得不到理想的结果。 20世纪70年代,Cundall等提出离散元法,用以分析散粒群体的力学行为。90年代,一些学者开始采用该方法研究散粒农业物料与农机工作部件间的相互作用及其动力学问题。但到目前为止,该方面的研究还仅仅从特定对象(如料仓)与散粒物料的相互作用及其分析模拟着手,尚未从建立一种通用的设计方法和设计软件的高度来考虑问题;而且大部分研究都集中在料仓这种简单的几何体上,对于具有复杂结构的农机工作部件,如排种器、开沟器、翻耕犁的研究尚未见报道等。 本文在对国内外该方面的研究现状及存在问题进行分析的基础上,提出由农机工作部件的CAD模型建立其离散元法分析模型的方法,并在此基础上实现了CAD软件与离散元法软件的集成,从而开发出精密排种器的分析设计系统。 该系统主要由前处理子系统、离散元计算子系统、后处理子系统组成。采用Visual C++ 6.0、ObjectARX和AutoCAD作为开发工具,为方便以后进一步扩展系统功能,各个子系统都使用面向对象的方法开发。其中前处理子系统与离散元计算子系统凭借数据库传递数据,而离散元计算子系统与后处理子系统靠读写同一数据文件来实现集成。 前处理子系统是利用ObjectARX2000在AutoCAD2000环境下进行的二次开发,主要目的是要把设计人员设计的图纸从AutoCAD中提取出来,并设置每一个图形元素(如一条线段、一段圆弧等)在仿真计算过程中的运动方式,建立“图形元素+运动方式”的仿真模型,并将模型存储到数据库中,供后面离散元计算子系统使用。 离散元计算子系统负责计算农机工作部件与散粒物料之间、散粒物料与散粒物料之间的受力情况、运动情况。用户可以在数据库中选取要计算的分析模型,再根据散粒物料的特性选择不同的力学模型并输入相关参数,利用离散元迭代算法计算出散粒物料的运动轨迹、受力情况,并将这些信息以文件的形式记录下来。此子系统还采用了多文档、多线程技术,不仅可以同时计算多个分析模型,而且提供了终止计算、继续计算的功能,使用户不必等到全部计算完毕后,就可提前观看仿真结果。 WP=55 后处理子系统是在离散元计算同时或完成后,将数据以图形方式动态仿真,并提供快放、慢放、暂停、停止等功能。 该系统最大特点是:①能够根据排种器的CAD模型直接生成离散元法的分析模型,并实现CAD软件与离散元法性能分析软件的无缝集成;②能在设计阶段(由计算机实验)对不同结构和尺寸的工作部件进行性能分析和评价,以实现结构方案和参数尺寸的优化;③能进行工作过程的动态仿真,由此分析其工作机理,辅助设计者设计出新原理的精密排种器等,这些是现有农业机械设计方法和设计技术无法做到的。 通过使用该系统对组合内窝孔精密排种器工作过程的仿真分析,并将仿真结果与实验结果进行了比较。可知,开发的精密排种器的分析设计系统不仅可用于精密排种器的设计和性能分析,而且也可用于其他有关工作部件的设计和性能分析,且分析结果与实验结果基本吻合。 农业是我国的基础产业,农业生产好坏关系到国计民生、国家安全和国内稳定,而作为农业生产装备的农业机械,对于我国农业的生产状况、农业现代化进程和增加农民收入等都是至关重要的。但我国农机产品的研究、设计水平还相对落后,导致许多农业生产中急需的农机产品或没有或性能较差,利用信息技术提升我国农机产品的研究、设计水平,使其实现跨越式发展,是解决该问题的最好时机。 本文的研究对于提高精密排种器的研究和设计水平,减少实验环节和实验次数,降低工作过程中不必要的损失、提高性能均有较大意义。


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