基于MBD与DEM耦合的仿真软件设计及实现

随着人类社会的进步,机械普遍应用于工业生产加工、农业施肥播种等活动。而一个设计优良的机械,通常有着良好的工作性能,有利于生产效率的提高、能源材料损耗的降低,由此可产生更大的经济效益。在农业生产领域,机械作业对象大多为颗粒类物料,如耕地土壤以及玉米、大豆等农作物种子。一些现实场景中,如拖拉机在松软路面行驶,自卸车卸货物(散粒物料类),振动深松机疏松土壤,播种机在田间开沟播种等机械作业均与大规模颗粒群体发生了接触碰撞。此时孤立地讨论机械运动是脱离实际的,应结合与颗粒材料的接触作用分析其工作情况,进而评价机械性能。传统的农业机械设计是通过实物样机反复制造与现场试验实现的,这些复杂运动方式的机械部件与颗粒材料接触产生的影响无法准确地测量。由于计算机技术的发展和各种数值分析方法的提出、完善,现代机械产品的设计评估从原来的物理样机实验变为CAE驱动设计与虚拟实验。本文将用于模拟机械设备复杂运动行为的多刚体动力学方法,和颗粒动力学中研究不连续体行为的离散元法进行耦合,在课题组自主研制的三维离散元法分析软件AgriCAE架构基础上,设计实现了耦合仿真软件,直观展示机械部件的工作状态和颗粒物料的运动轨迹,为播种机、深松机、推土机、挖掘机等工作过程分析和优化设计,提供一种新的参考手段。首先,本文对基于笛卡尔坐标的多刚体动力学的模型与方法进行研究,实现了多刚体动力学求解器程序,同时添加了逆向动力学计算功能,并将其动态加载到AgriCAE主程序中。其次,从边界建模、仿真计算和后处理三个方面完成耦合仿真软件的实现。在原有边界建模基础上添加了复杂刚体定义,新增几种约束并建立了对应的约束方程,还添加了动力学所需的外力、力元;仿真计算模块,颗粒与刚体发生接触时,通过软件离散元和多刚体动力学模块的数据交互计算出接触作用力,从而刷新颗粒和刚体运动;对耦合计算结果或动力学单独计算结果提供约束反力曲线分析和数据导出功能。接下来对AgriCAE软件的其他功能模块进行改进。为STL边界建模添加了多刚体模型参数的保存与导入功能,简化了多次使用同一机构的建模步骤;改进了球颗粒与虚圆面边界的接触判定算法和粘颗粒接触力学模型的不足之处;为计算结果的动态演示提供了设置显示方式的功能;在筛分性能分析模块,实现统计区静止的功能,并在界面绘制统计区域。最后,对软件进行功能测试与实例分析。通过播种机等多刚体系统的建模计算,以及耦合仿真实例,验证本文研制软件的可行性和耦合方法的合理有效性,有一定的实际应用价值。其他改进的功能,经检验符合设计需求及预期效果。