离散元法及其在农业机械工作部件研究与设计中的应用

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1、第21卷第5期农业工程学报Vol.21No.52005年5月TransactionsoftheCSAEMay20051离散元法及其在农业机械工作部件研究与设计中的应用1211于建群,付　宏,李　红,申燕芳(1.吉林大学生物与农业工程学院,长春130022;2.吉林大学计算机科学与技术学院,长春130012)摘　要:提出由农业机械工作部件的CAD模型建立其离散元法分析模型,在此基础上实现CAD软件与离散元法性能分析软件的集成,从而构建一种与散粒物料相互接触作用的农业机械工作部件的通用数字化设计方法和集成

2、分析设计软件的思想。介绍了该数字化设计方法和集成分析设计软件的体系结构和主要功能,概述了在建立该方法和软件方面存在的问题及研究工作进展情况。关键词:数字化设计;离散元法;散粒物料;农业机械;工作部件中图分类号:S126文献标识码:A文章编号:100226819(2005)0520001206于建群,付　宏,李　红,等.离散元法及其在农业机械工作部件研究与设计中的应用[J].农业工程学报,2005,21(5):1-6.YuJianqun,FuHong,LiHong,etal.Applicationofd

3、iscreteelementmethodtoresearchanddesignofworkingpartsofagriculturalmachines[J].TransactionsoftheCSAE,2005,21(5):1-6.(inChinesewithEnglishabstract)以粘聚力或连结力学模型时,还可以分析散粒结块或整0　引　言体材料的破坏过程(如粉碎、切断等)。离散元法已成为农业机械工作时,大量存在着散粒物料的流动过研究散粒体动力学问题的一种通用方法,并在岩土工程程。如播种机播种

4、时,存在着种子、肥料、土壤的流动;耕与风沙流动,散粒物料的输送、混合、分级,颗粒的结块翻农田时,存在着土壤的流动;农产品收获、输送、分级、与碰撞,土壤与机械的相互作用,化工和矿山装备等研[3]加工和包装等,也存在着相关散粒物料的流动。究领域得到广泛应用。散粒物料的流动除与本身力学性质有关外,还与相20世纪90年代以后,一些学者开始应用该方法研关农机工作部件的结构形式、尺寸参数有关。一个好的究散粒物料与农机工作部件的相互作用问题。如Lu[4]农业机械设计,应使散粒物料按照预想的程式流动,如等采用离散元和

5、有限元耦合的方法,分析了筒仓中大[5]播种时种子的流动,减少流动过程中的损伤,节省动力豆的进出料过程及仓壁应力;Zhang等采用离散元法[6]消耗,如开沟和耕翻土壤时牵引动力消耗,此时必须考分析了大豆在斜槽中的流动过程;Tanaka等采用离虑工作部件与散粒物料的相互作用及其动力学问题。散元法分析了金属棒插入土壤时,土壤阻力及变形情[7]散粒物料的性质介于固体与流体之间,虽然颗粒结况;Sakaguchi等采用离散元法分析了糙米的筛分过[8]构简单,却具有复杂的力学特性。采用连续介质力学方程;Momozu

6、等采用离散元法分析了摆式铲的切土过法,研究散粒物料与农机工作部件的相互作用,只能把程。但到目前为止,对于复杂结构的农机工作部件,如排散粒群体作为一个整体来考虑,无法分析散粒群体中每种器、排肥器、开沟器、耕翻犁等研究尚未见报道。个颗粒的运动过程、相互作用,因而不能很好地解决该采用离散元法研究散粒物料与农机工作部件之间问题。目前进行有关农机工作部件的设计时,大都依靠的相互作用和散粒物料的流动过程,可以分析评价农机经验或试验方法,既费时费力又得不到理想的设计效工作部件的工作性能。把CAD软件与离散元法性能分

7、果,据估计仅由散粒物料输送所造成的相关设备利用损析软件集成,则可望建立一种集设计与性能分析评价为[1]失就达40%。一体的与散粒物料相互接触作用的农机工作部件的通[2]20世纪70年代,Cundall等提出离散元法,其基用数字化设计方法和集成分析设计软件,其体系结构见本思想是把散粒群体简化成具有一定形状和质量颗粒图1所示。的集合,赋予接触颗粒间及颗粒与接触边界间某种接触由图1可知,该数字化设计方法和集成分析设计软力学模型和模型中的参数,以考虑散粒之间及散粒与边件的特点是:①能根据设计要求和推理机制自动

8、生成农界间的接触作用和散粒体与边界的不同物理机械性质。机工作部件的结构方案,并可对该方案进行修改;②能离散元法采用动态松弛法、牛顿第二定律和时步迭代求在设计阶段通过修改其CAD模型,对不同结构和尺寸解每个颗粒的运动和位移,特别适合于求解非线性问参数的工作部件进行性能分析和评价,如工作阻力、磨题。由于其离散的特点,在分析高度复杂系统时,无论是损状况分析,开沟深度、宽度、土壤流动情况分析,播种散粒体还是边界均不需作大的简化;当赋予接触颗粒间的单粒率、空穴率、