專利名稱：基于離散元法的玉米脫粒過程分析方法
技術領域：
本發明涉及玉米脫粒過程的研究，是一種分析玉米脫粒過程的新方法，特別適合于玉米脫粒過程分析和玉米脫粒機優化時采用。
背景技術：
玉米是典型的多用途高產作物，經過多年發展，我國玉米的種植面積，已成為僅次于水稻的第二大作物，年產玉米近一億五千萬噸。由于各地地理和氣候等原因，大部分玉米都是收獲晾曬后，再進行脫粒操作。因此，玉米脫粒機的使用非常廣泛。但由于玉米脫粒過程的復雜性，到目前為止，國內外已報道的玉米脫粒過程分析， 大都采用試驗方法、統計分析方法或傳統連續介質力學的分析方法。試驗方法和統計分析方法費時費力，所得結果一般也不具有普遍意義，還不能洞察玉米脫粒過程的物理機理。傳統連續介質力學的分析方法，只能分析脫粒過程中單個玉米穗、玉米芯或玉米籽粒的受力和運動情況，或把玉米穗、玉米芯和玉米籽粒當成一個整體來分析，這與實際玉米脫粒過程中，玉米穗、玉米芯和玉米籽粒群體的相互作用和運動過程差別較大。本發明專利提供一種分析玉米脫粒過程的新方法，即基于顆粒動力學——離散元法的玉米脫粒過程分析方法。從已經掌握的文獻資料看，采用顆粒動力學方法，從細觀角度對脫粒過程進行物理仿真尚未見報道。

發明內容
本發明的目的是提供一種分析玉米脫粒過程的新方法，該方法的優點是①在設計階段通過修改脫粒機的CAD模型、玉米籽粒、玉米芯和玉米穗的分析模型、連接和接觸作用的力學模型、離散元法計算參數，能分析不同品種玉米、不同工況、不同原理、不同結構和尺寸玉米脫粒機的性能，由此實現玉米脫粒機結構方案和尺寸參數的優化；②通過脫粒機的CAD模型，能進行玉米脫粒過程的動態仿真，由此分析玉米脫粒機的工作機理或工作過程，還可以發明新原理和新結構的玉米脫粒機，這是現有玉米脫粒機的研究和設計方法不能做到的。本發明的上述目的通過以下技術方案實現。—種基于離散元法的玉米脫粒過程分析方法，包括以下步驟步驟一，建立全局坐標系x-y-z和第一局部坐標系X-Y-Z，在第一局部坐標系 X-Y-Z生成玉米穗；步驟二，采用球顆粒聚合方法建立玉米穗和玉米芯的離散元法分析模型，采用一個球即連接球模擬玉米籽粒果柄，且認為籽粒果柄與玉米籽粒是一個整體；步驟三，以組成玉米籽粒或玉米芯某個球i的球心與另一個接觸玉米籽粒或玉米芯組成球j的球心連線為X'軸，Y'軸和Z'軸符合右手旋轉法則，由此建立第二局部坐標系X' -Y' -Z'；在第二局部坐標系X' -Y' -Z'下，計算玉米籽粒或玉米芯與另一個接觸玉米籽粒或玉米芯間的接觸作用斥力；
步驟四，把步驟三計算的每一個籽粒所有組成球的接觸作用斥力，變換到第三局部坐標系X" -Y" -Z"下并求合力，根據該合力在X" -Y" -Z"下求每一個籽粒與其生長的玉米芯之間的連接力，如果連接力大于由試驗測定的連接力，則該玉米籽粒即從玉米芯上脫離一脫粒；步驟五，如果連接力小于由試驗測定的連接力，則該玉米籽粒從玉米芯上不脫離， 此時需在第三局部坐標系X" -Y" -Z"下，求解未脫落籽粒相對玉米芯的新位置并更新玉米粒的位置。所述全局坐標系x-y-z是大地坐標系，所述第一局部坐標系X-Y-Z的原點與玉米穗的質量中心重合，X軸方向與玉米穗軸線重合，Y軸方向與某一籽粒中心重合，Z軸方向符合右手螺旋法則。所述玉米芯組成單元之間的連接，也采用步驟二同樣的連接球方法。所述玉米籽粒脫粒或玉米芯破碎后，刪除連接球。當玉米籽粒或玉米芯與脫粒機接觸時，其接觸作用斥力，也采用步驟三同樣的方法計算；當接觸的脫粒部件表面為平面時，第二局部坐標系X'軸為i球的球心到該平面的垂線；當接觸的脫粒部件表面為球面時，第二局部坐標系X'軸為i球的球心到該球面中心的連線；當接觸的脫粒部件表面為柱面時，第二局部坐標系X'軸為i球的球心到該柱面軸線的垂線；當接觸的脫粒部件表面為錐面時，第二局部坐標系X'軸為i球的球心到該錐面軸線的垂線。計算籽粒的接觸作用斥力采用接觸力學模型；計算籽粒的連接作用力采用連接力學模型。試驗測定的玉米籽粒與其生長的玉米芯之間的連接力，應與計算玉米籽粒與其生長的玉米芯之間的連接力，在同一個坐標系下進行。所述第三局部坐標系X" -Y" -Z"，其X"軸與第一局部坐標系X-Y-Z的X軸重合，Y"軸為被分析玉米籽粒質心與玉米芯中心的連線，Z"軸符合右手螺旋法則。其步驟是在一個時步內的計算方法，下一時步的計算，重復上述步驟。本發明的技術效果根據上述玉米脫粒過程分析方法，設計了基于離散元法的玉米脫粒過程分析軟件，并實現了與CAD軟件的集成，從而開發出一種集設計和性能分析評價為一體的玉米脫粒過程分析和脫粒機優化設計軟件，其結構如圖5所示。圖6為采用上述分析方法及其軟件，由CAD模型實現的一種結構滾筒式玉米脫粒機工作過程的二維離散元法仿真分析。圖7為改變CAD模型，采用上述分析方法及其軟件， 實現的另一種結構滾筒式玉米脫粒機工作過程的二維離散元法仿真分析。圖8為一種滾筒式玉米脫粒機的三維CAD模型，圖9為由圖8的CAD模型和軟件建立的該脫粒機的三維離散元法分析模型。圖10為采用上述分析方法及其軟件，實現的脫粒機脫粒過程的三維離散元法仿真分析。從圖中可以看出，隨著仿真計算時間的延續，玉米粒逐漸從玉米穗上脫落并從脫粒機凹板上的孔漏出。圖11為軟件給出的脫粒過程的破碎率、脫凈率和籽粒沿脫粒機軸線分布的分析結果，由此可評價脫粒過程或脫粒機性能。上述實例充分證明了本發明的方法及其實現軟件的可行性和優點，而且也證明了本發明的方法及其實現軟件，可由玉米脫粒機的CAD模型，進行玉米脫粒過程的仿真分析，通過改變玉米脫粒機的CAD模型，可分析不同結構和尺寸玉米脫粒機的性能，從而實現玉米脫粒機的性能優化，由此可解決玉米脫粒機的優化設計技術問題，并可產生顯著的技術效果。


圖1全局坐標系和第一局部坐標系的建立。圖2玉米芯、籽粒和籽粒果柄。圖3兩顆粒組成球接觸時的第二局部坐標系的建立。圖4計算玉米籽粒轉動的局部坐標系。圖5玉米脫粒過程分析和脫粒機優化設計新方法及其軟件的結構。圖6由CAD模型實現的一種結構滾筒式玉米脫粒機工作過程的二維離散元法仿真分析。圖7改變CAD模型實現的另一種結構滾筒式玉米脫粒機工作過程的二維離散元法仿真分析。圖8 一種滾筒式玉米脫粒機的三維CAD模型圖9 一種滾筒式玉米脫粒機的三維離散元法分析模型圖10玉米脫粒過程的三維離散元法仿真分析，其中，(a)玉米穗生成；(b)玉米穗開始脫粒；(c)脫粒繼續進行；(d)脫粒過程結束。圖11軟件給出的脫粒過程分析結果，其中，(a)脫凈率分析結果；(b)破碎率分析結果；(c)脫落籽粒沿脫粒機軸線分布統計結果。圖中1.玉米籽粒P，2.玉米籽粒，3.玉米芯，4.籽粒果柄，5.凹板，6.分離篩， 7.滾筒釘齒，8.玉米穗，9.玉米穗入口
具體實施例方式下面結合附圖進一步說明本發明的具體內容及建模過程。①玉米脫粒機的建模方法脫粒機的建模方法，采用申請人獲得的發明專利“基于CAD模型的邊界建模方法”(專利號200510016835. 7)建立，即把與玉米穗接觸的脫粒機中零件表面離散成圖元， 如平面、球面、柱面、錐面等，并添加運動屬性和材料特性，由此建立脫粒機的離散元法分析模型。②脫粒過程的作用力計算方法通過觀察可知，玉米穗包含玉米芯和生長在芯上的籽粒兩個部分組成，且通常玉米穗成圓臺形，而玉米籽粒截面近似梯形。為分析玉米的脫粒過程，需建立圖1所示的全局坐標系x-y-z和局部坐標系 X-Y-Z。其中全局坐標系x-y-z是大地坐標系，局部坐標系X-Y-Z的原點與玉米穗的質量中心重合，X軸方向與玉米穗軸線重合，Y軸方向與某一籽粒質心重合，Z軸方向符合右手螺旋法則。為了模擬玉米籽粒與玉米芯之間的連接，采用一個球(稱連接球)模擬籽粒果柄，且籽粒果柄與玉米籽粒是一個整體，如圖2所示。玉米籽粒脫落后，連接球刪除。玉米芯組成單元之間的連接，也采用同樣的連接球方法。為分析玉米的脫粒過程，首先在全局坐標系的脫粒機玉米穗入口隨機產生一點， 作為待生成玉米穗的質量中心，然后以該中心為坐標原點，產生局部坐標系X-Y-Z并生成一個玉米穗，下一時步再隨機產生一點，并用同樣方法生成另一個玉米穗，如此反復。其中玉米籽粒和玉米穗的分析模型，可通過實際玉米籽粒和玉米穗的測量參數控制。分析玉米脫粒過程可知，作用力包括籽粒與籽粒之間、籽粒與玉米芯之間和籽粒與脫粒部件之間的作用力，還包括玉米芯與玉米芯之間和玉米芯與脫粒部件之間的作用力。在采用顆粒聚合體方法建立玉米穗分析模型時，當籽粒未脫落前，籽粒與其生長的玉米芯之間作用力為連接力(吸力)，同一玉米芯組成單元之間的作用力也為連接力(吸力)； 而籽粒與其它籽粒之間、籽粒與其生長的玉米芯以外玉米芯之間、籽粒與脫粒部件之間的作用力為接觸斥力；同理，玉米芯與其他玉米芯間、玉米芯與脫粒部件之間的作用力也為接觸斥力。由于玉米籽粒和玉米芯的建模方法，均采用球顆粒組合的方法，因此籽粒和玉米芯上的作用力，可采用球顆粒的計算方法進行，這樣就避免了求解非線性方程組。下面以某一玉米籽粒P為例，介紹作用力的計算方法。首先在全局坐標系x-y-z中，建立圖3所示的局部坐標系X' -Y' -Z'。其中X' 軸為玉米籽粒P組成球i的球心與另一個接觸籽粒或玉米芯組成球j的球心連線，Y'軸平行于全局坐標系x-y平面，Z'軸符合右手螺旋法則。在X' -Y' -Z'局部坐標系中，當i 球與j球的中心距小于兩球的半徑之和時，則兩球接觸，其法向疊合量K為δη = R1 + Rj - ^(x, - Xj)2+(y,-yj.)2+(Z1-Zj)2式中氏、民、(Xi, Yi, Zi)和(Xj，Yj, Zj)分別為球i和j的半徑及中心點在全局坐標系x-y-z的坐標。當采用線性粘彈性力學模型，計算兩球的接觸斥力時，兩球間的法向(沿 X'軸方向)作用力為F^ =F^+F^式中i^；1為t時刻接觸兩球沿X'軸的作用力；JF忍為接觸的法向彈性力， F^=-KrSn, Xjr為接觸的法向剛度系數為接觸的法向阻尼力，i^ =-Cxj /M; Cx,為法向粘性阻尼系數；Διιχ,為t時刻兩球接觸處的法向相對位移，At為計算時間步長。接觸兩球間產生的切向(沿Y'、v軸方向)接觸作用力為
「nnml Fm - Fm + F(t)
LUUOJJ 1 7'(Z') — ι Υ'(Ζ')Κ 卞 1 Y'(Z")D式中巧為t時刻接觸兩球沿Y'或Z'軸方向的切向作用力；巧為沿Y' 或Z'軸方向的切向彈性力，巧=F1^H+AF7^y ；巧^^為上一時步接觸的切向彈性力；AF7^y Z-Xn^AMnz); Kr (z,)為接觸的切向剛度系數；Δ ur )為t時刻兩球接觸處沿Y'或Z'軸方向的切向相對位移；巧^為沿Y'或Z'軸方向的切向阻尼力， F^d=-Cnz^urizl jM-Xr (z,)為切向粘性阻尼系數。兩球接觸時產生的繞X'軸回轉力矩為Mf, =M%式中M災為t時刻兩球接觸時產生的繞X ‘軸回轉彈性力矩， = M%tf) + ；M^為上一時步兩球接觸時產生的繞X ‘軸回轉彈性力矩;接觸的回轉剛度系數為t時刻接觸兩球繞X'軸相對角位移； Mf為t時刻接觸兩球繞X'軸回轉阻尼力矩，
權利要求
1.一種基于離散元法的玉米脫粒過程分析方法，其特征在于包括以下步驟步驟一，建立全局坐標系x-y-z和第一局部坐標系X-Y-Z，在第一局部坐標系X-Y-Z生成玉米穗；步驟二，采用球顆粒聚合方法建立玉米穗和玉米芯的離散元法分析模型，采用一個球即連接球模擬玉米籽粒果柄，且認為籽粒果柄與玉米籽粒是一個整體；步驟三，以組成玉米籽粒或玉米芯某個球i的球心與另一個接觸玉米籽粒或玉米芯組成球j的球心連線為X'軸，Y'軸和Z'軸符合右手旋轉法則，由此建立第二局部坐標系 X' -Y' -Z'；在第二局部坐標系X' -Y' -Z'下，計算玉米籽粒或玉米芯與另一個接觸玉米籽粒或玉米芯間的接觸作用斥力；步驟四，把步驟三計算的每一個籽粒所有組成球的接觸作用斥力，變換到第三局部坐標系X" -Y" -Z"下并求合力，根據該合力在X" -Y" -Z"下求每一個籽粒與其生長的玉米芯之間的連接力，如果連接力大于由試驗測定的連接力，則該玉米籽粒即從玉米芯上脫離——脫粒；步驟五，如果連接力小于由試驗測定的連接力，則該玉米籽粒從玉米芯上不脫離，此時需在第三局部坐標系X" -Y" -Z"下，求解未脫落籽粒相對玉米芯的新位置并更新玉米粒的位置。
2.根據權利要求1所述的一種基于離散元法的玉米脫粒過程分析方法，其特征在于， 所述全局坐標系x-y-z是大地坐標系，所述第一局部坐標系X-Y-Z的原點與玉米穗的質量中心重合，X軸方向與玉米穗軸線重合，Y軸方向與某一籽粒中心重合，Z軸方向符合右手螺旋法則。
3.根據權利要求1所述的一種基于離散元法的玉米脫粒過程分析方法，其特征在于， 所述玉米芯組成單元之間的連接，也采用步驟二同樣的連接球方法。
4.根據權利要求1所述的一種基于離散元法的玉米脫粒過程分析方法，其特征在于， 所述玉米籽粒脫粒或玉米芯破碎后，刪除連接球。
5.根據權利要求1所述的一種基于離散元法的玉米脫粒過程分析方法，其特征在于， 當玉米籽粒或玉米芯與脫粒機接觸時，其接觸作用斥力，也采用步驟三同樣的方法計算；當接觸的脫粒部件表面為平面時，第二局部坐標系X'軸為i球的球心到該平面的垂線；當接觸的脫粒部件表面為球面時，第二局部坐標系X'軸為i球的球心到該球面中心的連線；當接觸的脫粒部件表面為柱面時，第二局部坐標系X'軸為i球的球心到該柱面軸線的垂線； 當接觸的脫粒部件表面為錐面時，第二局部坐標系X'軸為i球的球心到該錐面軸線的垂線。
6.根據權利要求1所述的一種基于離散元法的玉米脫粒過程分析方法，其特征在于， 計算籽粒的接觸作用斥力采用接觸力學模型；計算籽粒的連接作用力采用連接力學模型。
7.根據權利要求1所述的一種基于離散元法的玉米脫粒過程分析方法，其特征在于， 試驗測定的玉米籽粒與其生長的玉米芯之間的連接力，應與計算玉米籽粒與其生長的玉米芯之間的連接力，在同一個坐標系下進行。
8.根據權利要求1所述的一種基于離散元法的玉米脫粒過程分析方法，其特征在于， 所述第三局部坐標系X" -Y" -Z"，其X"軸與第一局部坐標系X-Y-Z的X軸重合，Y"軸為被分析玉米籽粒質心與玉米芯中心的連線，Z"軸符合右手螺旋法則。
9.根據權利要求1所述的一種基于離散元法的玉米脫粒過程分析方法，其特征在于， 其步驟是在一個時步內的計算方法，下一時步的計算，重復上述步驟。
全文摘要
本發明涉及一種基于離散元法的玉米脫粒過程分析方法。用于玉米脫粒過程的研究。包括以下步驟建立全局坐標系x-y-z和第一局部坐標系X-Y-Z；采用球顆粒聚合方法建立玉米穗和玉米芯的離散元法分析模型；以組成玉米籽粒或玉米芯某個球i的球心與另一個接觸玉米籽粒或玉米芯組成球j的球心連線為X′軸，Y′軸和Z′軸符合右手旋轉法則；把上步計算的每一個籽粒所有組成球的接觸作用斥力，變換到第三局部坐標系X″-Y″-Z″下并求合力；如果連接力小于由試驗測定的連接力，則該玉米籽粒從玉米芯上不脫離，此時需在第三局部坐標系X″-Y″-Z″下，求解未脫落籽粒相對玉米芯的新位置并更新玉米粒的位置。
文檔編號A01F11/06GK102415243SQ20111029382
公開日2012年4月18日 申請日期2011年10月4日 優先權日2011年10月4日
發明者于亞軍, 于建群, 付宏, 周海玲, 王玉杰 申請人:吉林大學