【摘要】：我國作為糧食生產(chǎn)大國,每年生產(chǎn)糧食6億噸,耕翻土壤上千億噸,由此可見提高相關機械部件的工作性能,可以帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。對于農(nóng)業(yè)機械的數(shù)字化設計過程,可以采用離散元法通過計算機對物理樣機建模進行模擬試驗,不但可以為開發(fā)人員優(yōu)化設計提供良好的數(shù)據(jù)支持,還可以減少機械制造的開發(fā)周期。因此,離散元法在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)仿真中得到廣泛的應用。但是在仿真模擬過程中,由于農(nóng)作物顆粒的數(shù)量級比較大,致使顆粒生成占用了大量仿真時間。并且由于現(xiàn)實世界中的農(nóng)作物顆粒種類繁多,顆粒材料屬性的多樣性,導致在仿真過程中需要對多種顆粒進行建模,同時在計算顆粒接觸力時還需要考慮不同顆粒屬性的差異,這樣增加了顆粒仿真的難度和時間�；诖�,經(jīng)過對課題組原有AgriDEM1.0軟件進行深度剖析,本文添加了多種顆粒模型的生成、混合顆粒模型的鄰居搜索以及混合顆粒模型接觸力計算等功能,然后重新設計并實現(xiàn)了新軟件AgriDEM2.0的求解器。首先,本文在課題組原仿真軟件AgriDEM1.0的基礎上,采用面向?qū)ο笏枷?重新設計并實現(xiàn)了仿真軟件AgriDEM2.0的求解器。設計了顆粒建模,將球顆粒作為一種特殊的組合球進行建模;提出了顆粒生成類型概念,同時設計了普通入料口以及基于區(qū)域網(wǎng)格的顆粒生成方法,實現(xiàn)了混合顆粒模型的生成;設計了基于網(wǎng)格的鄰居搜索算法,支持混合顆粒模型的鄰居搜索;設計并實現(xiàn)了五種可以支持多物理屬性的接觸力學模型。基于上述工作實現(xiàn)了混合顆粒模型的仿真模擬。其次,本文設計并實現(xiàn)了材料試驗模塊,可以仿真拉伸試驗模擬、壓縮試驗模擬、剪切試驗模擬和彎曲試驗模擬。通過具有連接關系的球顆粒對試驗樣本進行建模,實現(xiàn)了多種試驗樣本的生成。設計并實現(xiàn)了連接力學模型與接觸力學模型的耦合計算,對于試驗樣本中的球顆粒,具有連接關系的球顆粒之間采用連接力學模型計算其之間的連接力,而沒有連接關系的球顆粒之間采用線性粘彈性接觸力學模型計算其之間的接觸力。設計并實現(xiàn)了材料試驗數(shù)據(jù)分析模塊,通過仿真計算中保存的數(shù)據(jù)信息繪制機械部件受力與位移關系的趨勢圖。最后,本文對上述工作中實現(xiàn)的功能進行了測試與分析。測試結果表明本文中所實現(xiàn)的功能均達到了仿真模擬的要求,并且本文在AgriDEM2.0中的設計改進可以使仿真試驗更貼近實際試驗,從而使AgriDEM2.0軟件可以更廣泛的應用在各種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)仿真試驗中。同時,本文在AgriDEM2.0計算部分的設計中提供了眾多接口,本文通過這些接口設計實現(xiàn)了材料試驗模塊,對于后續(xù)人員也可以通過二次開發(fā)實現(xiàn)特定的仿真實驗。
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(a) 芯鏵開溝器 (b) 施肥開溝器 (a) 芯鏵開溝器 (b) 施肥開溝器圖 2.5 開溝器三維 CAD 模型 圖 2.6 開溝器三維離散元法分析模型前處理程序?qū)C械部件進行三維建模，并將模型中的邊界存放到數(shù)據(jù)庫中，當 AgriDEM2.0 新軟件需要進行仿真計算時，從數(shù)據(jù)庫中讀取邊界，給每一個邊界建立一個邊界類實例并存放到邊界數(shù)組中，供求解器計算使用。2.6.2 邊界與顆粒接觸判斷方法本文主要介紹顆粒與三角形邊界的接觸判斷算法，如圖 2.7。已知三角形三個頂點在全局坐標系下的坐標為 A(xA,yA,zA)、B(xB,yB,zB)、C(xC,yC,zC)，，根據(jù)公式(2-1)計算三角形邊界所在平面方程為 (2-1) ( )( ) ( )( ) ( )( ) ( )( ) ( )( ) ( )( ) ( )(2-2)已知球顆粒 i 中心坐標 P(xP,yP,zP)，半徑 r，根據(jù)距離公式(2-3)計算 P 點到平面 ABC 的距離 d。 2 2 2(2-3)如果 為假，則說明顆粒 i 與三角形邊界不可能發(fā)生接觸。如果為真，則根據(jù)公式(2-5)將顆粒 i

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