發(fā)布時間：2017-04-10 22:43

  本文關(guān)鍵詞：基于DEM與MBK耦合的CAE軟件改進研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：在實際工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，廣泛存在著的散粒物料，例如農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的大豆顆粒、玉米顆粒、小麥顆粒、化肥顆粒等；建筑材料中的土壤顆粒、巖石顆粒、混凝土顆粒等；醫(yī)療領域中的藥品顆粒等。這些顆粒在存在形式上往往不是單一或極少數(shù)存在的，而是以十分龐大的數(shù)量存在于我們的現(xiàn)實世界中，與我們的生產(chǎn)生活息息相關(guān)。對這些顆粒與其他介質(zhì)的力學分析和運動形態(tài)進行研究通常采用離散元法，計算每個顆粒的運動形態(tài)，最終模擬整個顆粒系統(tǒng)的運動形態(tài)。 對于物體的運動形式，有平動、轉(zhuǎn)動及平動轉(zhuǎn)動的組合運動，這些運動都是一種簡單運動形式，而現(xiàn)實世界中存在更多的是一種不能用簡單的公式表示的復雜運動，對這些具有復雜運動方式的物體或者機械部件進行深入研究，有助于我們更好的理解現(xiàn)實世界。這些復雜運動不能與簡單的平動或者轉(zhuǎn)動一樣，利用簡單的物理運動規(guī)則和數(shù)學公式進行分析，而是將這些具有復雜運動方式的機械部件抽象成一個多剛體系統(tǒng)，利用多剛體運動學原理，建立多剛體系統(tǒng)運動方程，通過求解多剛體系統(tǒng)運動方程得到每一時步剛體位置、速度、加速度等運動信息，以此分析系統(tǒng)中各剛體的運動形式。 課題組所研制的基于DEM和MBK耦合軟件，實現(xiàn)了三維離散元法與多剛體運動學的耦合計算。但是前期為了計算便捷，只實現(xiàn)了基于球顆粒的仿真計算，這樣操作的后果是軟件實用價值低，脫離農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際，后期農(nóng)業(yè)機械部件的設計上存在很大的誤差，為了更接近生產(chǎn)實際，需要在顆粒種類上進行進一步的豐富，以非球顆粒如橢球、多球和超球等為基礎，實現(xiàn)離散元法和多剛體運動學方法的耦合是十分必要的。 實際農(nóng)業(yè)中篩分等過程所涉及到的顆粒數(shù)目是極其龐大的，而利用計算機技術(shù)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程進行模擬仿真時，若實現(xiàn)大規(guī)模顆粒數(shù)量的計算，則會導致計算時間過長，計算性能偏低，在軟件功能已經(jīng)實現(xiàn)的前提下，提高計算性能是當前軟件開發(fā)過程中的重中之重，而多核處理器的出現(xiàn)為解決這一問題提供了一種比較新的方法，利用多核處理器的硬件條件，對應用程序?qū)崿F(xiàn)并行化處理是提高計算速度和性能的主要手段。此外，軟件開發(fā)過程中，同一功能的多次實現(xiàn)所帶來的重復工作是十分普遍的，同時也造成了許多人為的未知錯誤，浪費了大量的人力物力資源，對軟件的后期維護也是十分繁瑣的，而動態(tài)鏈接庫技術(shù)可以實現(xiàn)資源的共享，多個應用程序可以同時加載使用同一個動態(tài)鏈接庫，實現(xiàn)不同功能模塊的獨立開發(fā)，減少了軟件開發(fā)的工作量，避免了人為的未知錯誤，提高了軟件的質(zhì)量。 耦合軟件實現(xiàn)球顆粒的模擬仿真后，僅僅通過工作過程的播放來評價一個機械部件的性能是沒有說服力的，需要通過不同的分析標準，例如孔隙率、顆粒流量、篩分效率等統(tǒng)計量的定量分析，因此，在軟件中添加性能分析模塊是必要的，，通過性能分析的結(jié)果，評定當前機械部件的設計是否合理，工作性能是否優(yōu)良。 本文介紹了離散元法的基本思想理論，介紹多剛體運動學原理和求解過程，在球顆粒的基礎上，詳細探討了基于非球顆粒的離散元法與多剛體運動學方法耦合的基本理論并給出具體實現(xiàn)方法，針對多剛體運動學計算過程提出多核多線程并發(fā)計算的并行化算法，簡單介紹了OpenMP標準庫的工作原理及配置方法，最后給出多剛體運動學計算過程并行算法的具體實現(xiàn)過程。介紹了動態(tài)鏈接庫的創(chuàng)建方法和加載方法，實現(xiàn)了多剛體運動學計算過程和離散元法與多剛體運動學方法耦合計算過程的模塊化設計。在提高計算性能和計算速度方面，還實現(xiàn)了應用軟件由32位運算平臺向64位運算平臺的移植。最后，針對球顆粒篩分過程，設計添加了篩分統(tǒng)計分析模塊，對標識機械部件篩分性能、機械部件與顆粒接觸碰撞等性能進行統(tǒng)計分析，評定機械部件是否符合實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要。 為了驗證對軟件的改進研究是否合理，對所有改進的功能和重新添加的功能模塊進行測試和實例驗證，測試結(jié)果表明，改進后的軟件可以實現(xiàn)基于非球顆粒的離散元法與多剛體運動學方法的耦合功能，與球顆粒相比更貼近實際�；趧討B(tài)鏈接庫技術(shù)對多剛體運動學計算過程和離散元法與多剛體運動學方法耦合計算過程進行模塊化設計后，可以實現(xiàn)預定功能且不影響軟件中其他模塊的使用和修改，保證了計算效果并提高了軟件靈活性和代碼的封裝性，當計算顆粒達到一定數(shù)目后，計算速度有了明顯提升。多剛體運動學計算過程進行并行化處理后，計算速度和CPU利用率與傳統(tǒng)串行程序相比有了一定程度的提高。此外，耦合軟件由32位運算平臺移植到64位運算平臺后，提高了計算精度和計算性能，實現(xiàn)了計算機資源的充分利用。此外，篩分統(tǒng)計模塊能夠?qū)崿F(xiàn)不同統(tǒng)計量的統(tǒng)計分析，將測試結(jié)果與仿真過程進行比對，基本符合仿真要求，根據(jù)分析結(jié)果評定當前機械部件的篩分性能。
【關(guān)鍵詞】：離散元法 多剛體運動學 非球顆粒 并行計算 動態(tài)鏈接庫 篩分統(tǒng)計
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TP332;O313.7
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 緒論12-20
• 1.1 課題的提出及意義12-14
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及存在的問題14-18
• 1.2.1 三維離散元法14-15
• 1.2.2 多剛體動力學15-16
• 1.2.3 動態(tài)鏈接庫技術(shù)16-18
• 1.3 本文主要工作18-20
• 第2章 離散元法與多剛體運動學方法耦合的改進20-32
• 2.1 引言20
• 2.2 多剛體運動學模型20-23
• 2.3 非球顆粒離散元法模型23-28
• 2.4 基于非球顆粒的耦合實現(xiàn)28-30
• 2.5 本章小結(jié)30-32
• 第3章 基于并行和模塊化技術(shù)的耦合軟件設計32-52
• 3.1 引言32
• 3.2 基于動態(tài)鏈接庫的耦合軟件設計32-42
• 3.2.1 基于動態(tài)鏈接庫的耦合功能簡介33-34
• 3.2.2 動態(tài)鏈接庫的加載與釋放34-37
• 3.2.3 基于動態(tài)鏈接庫的耦合功能的實現(xiàn)37-42
• 3.3 多剛體運動學計算過程的并行改進42-46
• 3.3.1 OpenMP 的簡單介紹42-44
• 3.3.2 多剛體運動學計算過程的并行實現(xiàn)44-46
• 3.4 32 位運算平臺向 64 位運算平臺的轉(zhuǎn)換46-50
• 3.4.1 32 位運算環(huán)境和 64 位運算環(huán)境的比較46-47
• 3.4.2 32 位運算平臺向 64 位平臺轉(zhuǎn)換的基本方法47-48
• 3.4.3 64 位運算平臺的轉(zhuǎn)換48-50
• 3.5 本章小結(jié)50-52
• 第4章 篩分過程的統(tǒng)計分析52-70
• 4.1 引言52
• 4.2 篩分統(tǒng)計區(qū)域的設置52-56
• 4.2.1 篩分統(tǒng)計區(qū)域功能介紹52-55
• 4.2.2 篩分統(tǒng)計區(qū)域功能的實現(xiàn)55-56
• 4.3 篩分統(tǒng)計量的設置56-66
• 4.3.1 篩分統(tǒng)計量的定義56-60
• 4.3.2 篩分統(tǒng)計量算法與實現(xiàn)60-66
• 4.4 篩分過程的分析66-69
• 4.4.1 分析的功能介紹66-67
• 4.4.2 分析功能的實現(xiàn)67-69
• 4.5 本章小結(jié)69-70
• 第5章 軟件測試和實例驗證70-86
• 5.1 引言70
• 5.2 非球顆粒的測試70-74
• 5.2.1 橢球顆粒的測試72-73
• 5.2.2 多球顆粒的測試73-74
• 5.3 基于動態(tài)連接庫技術(shù)的軟件測試74-76
• 5.3.1 橢球顆粒的測試74-75
• 5.3.2 多球顆粒的測試75-76
• 5.4 多剛體系統(tǒng)運動學并行計算測試76-78
• 5.5 64 位運算平臺計算測試78-80
• 5.6 篩分統(tǒng)計分析功能測試80-83
• 5.6.1 篩面上顆粒流體積的測試81
• 5.6.2 沿篩面長度方向的平均速度的測試81-82
• 5.6.3 孔隙率的測試82
• 5.6.4 顆粒停留時間的測試82-83
• 5.6.5 通過質(zhì)量百分率的測試83
• 5.6.6 分配數(shù)的測試83
• 5.7 本章小結(jié)83-86
• 第6章 總結(jié)與展望86-88
• 6.1 全文總結(jié)86-87
• 6.2 工作展望87-88
• 參考文獻88-92
• 致謝92

【參考文獻】

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  本文關(guān)鍵詞：基于DEM與MBK耦合的CAE軟件改進研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：297717