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基于三维离散元法的玉米脱粒过程分析方法研究

作　者: 于亚军
导　师: 于建群
学　校: 吉林大学
专　业: 农业机械化工程
关键词: 离散元法玉米脱粒边界建模颗粒聚合体计算机仿真数字化设计
分类号: S226.1
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

玉米是典型的多用途高产作物，经过多年发展，我国玉米的种植面积，已成为仅次于水稻的第二大作物，年产玉米近一亿五千万吨。由于各地地理和气候等原因，大部分玉米都是收获晾晒后，再进行脱粒操作。因此，玉米脱粒机的使用非常广泛，对于保证玉米收后质量和农民增收起着重要作用。由于脱粒机工作过程的复杂性，到目前为止国内外对玉米脱粒机的研究和设计，大都采用试验方法、统计分析方法或传统连续介质力学的分析方法，本文采用离散元法研究玉米的脱粒过程。在综述了玉米脱粒机原理和结构以及国内外对于脱粒过程研究现状的基础上，以一种滚筒式玉米脱粒机为研究对象，通过对玉米果穗的物理力学性质测试分析、玉米果穗建模方法的研究、三维离散元法边界建模软件的研制、玉米脱粒过程的离散元法计算方法的研究，研制了基于三维离散元法的玉米脱粒过程仿真分析软件，进行了玉米脱粒过程台架试验，并采用研制的软件对该过程进行了仿真分析，通过仿真结果与试验结果的对比，验证了所建立方法和软件的可行性和有效性，为玉米脱粒过程的研究和脱粒机的优化设计建立了一种新方法，本文的主要工作和结论如下。1）对先锋8号玉米果穗的物理力学性质进行了测试分析，包括玉米果穗长度、果穗行数、行粒数、果穗大小端直径、玉米芯大小端直径、行内籽粒偏移角度、行间籽粒偏移量，各段玉米果穗的参数以及玉米籽粒和玉米芯的密度和含水率等，并分别测试了各段玉米果穗的玉米籽粒与玉米芯连接处的刚度系数和连接力，提出了玉米籽粒与玉米芯连接力的计算方法和连接的破坏准则，为采用离散元法仿真分析玉米的脱粒过程奠定基础。2）在深入研究玉米果穗、玉米籽粒和玉米芯结构的基础上，提出了基于颗粒聚合体的玉米果穗分析模型建模方法，通过所建立的分析模型与实际玉米果穗的对比，验证了提出的玉米果穗分析模型建模方法的可行性。3）在深入研究UG软件及其二次开发方法、研究规则曲面类型及信息提取方法的基础上，研制了基于UG软件的三维离散元法边界建模软件，通过所建立玉米脱粒机分析模型的初步验证，证明了该边界建模软件的可行性和有效性。4）对玉米脱粒过程的离散元法计算方法进行了深入的研究，提出了分析玉米脱粒过程的离散元法分析方法，主要包括：颗粒间及颗粒与边界间的邻居搜索和接触检测方法、颗粒间及颗粒与边界间的接触力计算方法、玉米果穗内部的接触检测和受力计算方法，颗粒运动的求解方法等。5）基于面向对象技术，研制出基于离散元法的玉米脱粒过程仿真分析软件，进行了软件的需求分析、概要设计和详细设计，对软件的各个功能进行了测试，包括对玉米果穗模型与边界的接触过程测试，邻居搜索和接触检测方法的测试以及对玉米脱粒过程仿真分析、脱粒性能分析功能的测试，通过给出的测试用例，证明了研制的脱粒过程仿真分析软件的可行性和有效性。6）以一种滚筒式玉米脱粒机为对象，进行了玉米脱粒过程的台架试验，研究不同因素对玉米脱粒过程和脱粒机性能的影响，得到如下结论：①不同滚筒转速下（122.7~317.15r/min），试验脱净率随滚筒转速的提高而增加，转速低于250r/min时，脱净率的受转速影响较大，脱粒效果很不稳定；转速高于250r/min时，脱净率达96%以上，此时脱净率的变化受转速影响变小，脱粒效果明显变好。不同果穗投入量下（5~20穗）及不同果穗部位下（上段、中段和下段），脱净率的变化波动较小；②不同转速下，籽粒数量的分布沿脱粒机滚筒轴向逐步减少，滚筒轴线两端脱落籽粒数量差别较大，而在最后一段的分离率随转速的增加而增加。不同果穗投入量下，籽粒的分布基本沿滚筒轴向逐步下降，脱粒机滚筒转速、果穗投入量以及果穗部位对籽粒的轴向分布曲线影响均比较小。7）采用自主研制的三维离散元法仿真分析软件，对玉米脱粒过程进行了仿真分析，并将仿真结果与试验结果进行了对比，得到如下结论：①不同滚筒转速下（65.5~500r/min），仿真脱净率随滚筒转速的提高而增加，这一变化趋势与台架试验结果相同。当滚筒转速低于252.10r/min时，仿真脱净率略低于试验结果；当滚筒转速为122.70r/min时，两者误差最大为9.99%；当转速提高后，仿真结果略高于台架试验结果，且脱净率变化的波动很小。不同果穗投入量下，仿真脱净率随投入量的增加而增加，这一变化趋势与台架试验相同。脱净率受果穗投入量及果穗部位的影响也较小；②不同滚筒转速下，仿真时脱落籽粒数量分布沿滚筒轴向减少，并且仿真和试验的分布曲线在变化规律上大致相同，但多数情况下两者在轴向第1段籽粒分布差距相对较大（误差在10%左右）。脱粒机滚筒转速、果穗投入量以及果穗部位对籽粒的轴向分布曲线影响均比较小；③仿真输入参数在实测范围内选取时，玉米果穗的脱净率随颗粒刚度系数的增大而增大；3种摩擦系数下，脱净率均大于98%，脱净率受摩擦系数的影响较小；④仿真输入参数在实测范围内选取时，不同刚度系数及摩擦系数下，仿真时脱落籽粒分布沿滚筒轴向减少，这一变化趋势与台架试验结果相同；⑤改变脱粒机CAD模型后，不同滚筒转速下，仿真脱净率随滚筒转速的提高而增加，脱落籽粒分布沿滚筒轴向逐步减少，这一变化趋势与改变前仿真结果相同。由于改变脱粒机的结构，加大了钉齿对玉米果穗的打击机会，使不同转速下的仿真脱净率均高于改变前结果，以及滚筒第1段分布籽粒数量百分比均高于改变前结果。8）通过软件仿真与试验结果的对比分析，初步证明了本文所建立方法和软件的可行性和有效性，为玉米脱粒过程分析和脱粒机的优化设计建立了一种新方法。

全文目录

摘要  4-7
Abstract  7-15
第1章绪论  15-23
  1.1 课题的提出及意义  15-16
  1.2 国内外研究现状及存在问题  16-21
    1.2.1 玉米脱粒机的种类和结构  16-18
    1.2.2 脱粒过程的研究现状及发展趋势  18-21
  1.3 本文研究目标及主要内容  21-23
第2章玉米果穗物理力学性质测试分析  23-33
  2.1 引言  23
  2.2 玉米果穗物理性质测试  23-27
    2.2.1 玉米果穗表征参数测试  23-26
    2.2.2 玉米籽粒和玉米芯密度测试  26
    2.2.3 玉米籽粒含水率测试  26-27
  2.3 玉米果穗力学性质测试  27-32
    2.3.1 测试原理及方法  28-29
    2.3.2 测量结果及分析  29-32
  2.4 本章小结  32-33
第3章基于颗粒聚合体的玉米果穗建模方法研究  33-49
  3.1 引言  33
  3.2 玉米果穗结构分析  33-34
  3.3 玉米芯分析模型建模方法  34-37
    3.3.1 玉米芯建模方法及步骤  34-35
    3.3.2 玉米芯组成球球心坐标及半径计算方法  35-37
  3.4 玉米籽粒分析模型建模方法  37-42
    3.4.1 玉米籽粒建模方法及步骤  37
    3.4.2 玉米籽粒各参数计算方法  37-40
    3.4.3 籽粒组成球球心坐标及半径计算方法  40-42
  3.5 玉米果穗分析模型建模方法  42-45
    3.5.1 玉米果穗几何模型建模方法  42-43
    3.5.2 玉米籽粒与玉米芯之间连接的力学模型  43-44
    3.5.3 玉米籽粒与玉米芯连接的破坏准则  44
    3.5.4 玉米芯小块之间的连接模型  44-45
  3.6 玉米果穗颗粒群体生成方法  45-46
    3.6.1 玉米果穗多种尺寸分布方式  45
    3.6.2 玉米果穗颗粒群体生成方法  45-46
  3.7 玉米果穗建模的实例验证  46-47
  3.8 本章小结  47-49
第4章基于 UG 的三维离散元法边界建模软件研制  49-71
  4.1 引言  49-50
  4.2 UG 软件及其二次开发工具  50-54
    4.2.1 UG 软件及其二次开发工具  50-51
    4.2.2 UG/Open API 应用程序的运行环境  51-52
    4.2.3 UG/Open API 应用程序的初始化与终止  52
    4.2.4 使用 MFC 应用向导创建程序的步骤  52-54
    4.2.5 应用程序的自动加载  54
  4.3 边界几何信息的提取方法  54-62
    4.3.1 多边形平面、圆形平面、弓形平面的信息及提取方法  55-57
    4.3.2 球面、球冠面、球台面的信息及提取方法  57-58
    4.3.3 直圆柱面、非完整直圆柱面的信息及提取方法  58-59
    4.3.4 圆锥面、圆台面的信息及提取方法  59-60
    4.3.5 曲圆柱面、非完整曲圆柱面的信息及提取方法  60-62
  4.4 软件关键技术的实现方法  62-65
    4.4.1 曲面自动识别  62-63
    4.4.2 虚边界的设定  63-64
    4.4.3 规律分布功能  64-65
    4.4.4 边界属性信息的设定  65
  4.5 边界建模的实例验证  65-69
  4.6 本章小结  69-71
第5章基于离散元法的玉米脱粒过程分析方法研究  71-89
  5.1 引言  71
  5.2 颗粒与边界的邻居搜索  71-72
    5.2.1 邻居搜索方法的原理  71-72
    5.2.2 邻居搜索方法的步骤  72
  5.3 颗粒间的接触检测和接触力计算  72-77
    5.3.1 颗粒间的接触检测方法  73-74
    5.3.2 颗粒间的接触力计算  74-77
  5.4 颗粒与边界间的接触检测和接触力计算  77-82
    5.4.1 颗粒与边界间的接触检测方法  78
    5.4.2 颗粒与边界间的接触力计算  78-82
  5.5 玉米果穗内部接触检测和受力计算  82-83
    5.5.1 相邻籽粒间的接触检测及接触力计算  82
    5.5.2 玉米籽粒与玉米芯间的连接力计算  82-83
  5.6 颗粒运动求解  83-87
    5.6.1 玉米果穗运动求解  84-86
    5.6.2 未脱落玉米籽粒相对于玉米芯的运动求解  86-87
  5.7 本章小结  87-89
第6章脱粒过程仿真分析软件的研制及测试  89-101
  6.1 引言  89
  6.2 软件的功能需求分析  89-91
    6.2.1 需求分析  89-90
    6.2.2 系统行为模型的建立  90-91
  6.3 软件的概要设计  91-93
  6.4 软件的详细设计  93-96
    6.4.1 玉米果穗的生成  93-94
    6.4.2 邻居搜索检测流程  94-95
    6.4.3 玉米果穗内部接触检测流程  95-96
  6.5 软件测试及实例验证  96-100
    6.5.1 邻居搜索方法的测试  96-97
    6.5.2 玉米果穗与边界接触测试  97-98
    6.5.3 玉米脱粒过程测试  98-100
  6.6 本章小结  100-101
第7章玉米脱粒过程台架试验及仿真分析  101-129
  7.1 引言  101
  7.2 试验方案及设备  101-104
    7.2.1 滚筒式玉米脱粒机  101-103
    7.2.2 试验方案  103-104
  7.3 玉米脱粒过程试验结果及分析  104-110
    7.3.1 脱净率试验结果分析  104-107
    7.3.2 轴向分布曲线的试验结果分析  107-110
  7.4 仿真模型的建立  110-111
    7.4.1 脱粒机分析模型  110-111
    7.4.2 玉米果穗分析模型  111
  7.5 玉米脱粒过程仿真结果及分析  111-120
    7.5.1 脱净率的仿真结果及分析  112-116
    7.5.2 轴向分布曲线的仿真结果及分析  116-120
  7.6 改变仿真参数及脱粒机 CAD 模型的仿真结果及分析  120-125
    7.6.1 不同刚度系数的仿真结果及分析  120-121
    7.6.2 不同摩擦系数的仿真结果及分析  121-123
    7.6.3 不同脱粒机结构的仿真结果及分析  123-125
  7.7 本章小节  125-129
第8章全文总结与展望  129-133
  8.1 全文总结  129-130
  8.2 工作展望  130-133
参考文献  133-141
作者简介及科研成果  141-143
致谢  143

基于三维离散元法的玉米脱粒过程分析方法研究

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