基于DEM-MBK耦合的摆杆筛筛分过程的仿真分析与试验研究

振动筛是根据颗粒粒径大小对其进行尺寸分离的重要装置。农业生产中常用的振动筛是一种摆杆型的振动筛。该类型振动筛的筛面运动是一种复杂的平面运动。过去往往采用试验方法来对筛分过程进行研究,这样既费时费力,又很难得到筛面上颗粒的运动信息。由于对摆杆筛上颗粒流的运动过程及其透筛特性缺乏很好的理解,因此极大地制约了摆杆筛的设计与优化。本文提出了一个平面多刚体运动学与离散元法的耦合模型,利用该耦合模型对LA-LK型实验室级摆杆筛上的大豆籽粒的筛分过程进行数值仿真;仿真参数主要基于大豆籽粒自身的材料属性及其与其他材料之间的相互作用属性确定的;将不同尺寸区间颗粒的透筛率沿筛面长度方向分布的试验值与仿真值进行对比,发现二者吻合得良好,进而验证了该耦合模型的可行性和准确性。采用二次正交旋转组合设计对该摆杆筛的运动参数和结构参数进行了优化;研究了曲柄长度,筛面倾角,筛孔大小,曲柄转速和喂入速率对筛分性能的影响;利用颗粒流体积,颗粒流沿筛面长度方向的平均速度和颗粒之间的碰撞次数来对筛分结果进行分析。这些分析有助于我们对摆杆上的颗粒运动及其透筛特性有更好的理解。同时,本文的研究也为复杂运动振动筛的设计与优化提供了参考。本文的主要工作与结论如下。（1）对五个品种大豆籽粒自身的物理力学属性（几何形状、三轴尺寸、含水率、颗粒密度、刚度系数、弹性模量）及其与其他材料之间的相互作用属性（颗粒之间的碰撞恢复系数、颗粒与有机玻璃之间的碰撞恢复系数以及颗粒与有机玻璃之间的静、滚摩擦系数）进行了测量和分析。（2）提出了一种改进的大豆籽粒曲率半径的求解算法,将其计算结果与文献中提供的方法的结果进行对比,发现改进算法的结果能更加真实地反映接触点处大豆籽粒的曲率半径。（3）提出了一种大豆籽粒的建模方法。1提出了一个在椭球内部填充内切（组成）球的算法。基于多球模型的思想,建立了大豆籽粒的颗粒模型。定义了填充误差的概念。提出了一个多球模型的优化算法,对本文所建立的大豆籽粒多球模型进行优化,进而得到填充误差较低的多球模型;2建立了五个品种单个大豆籽粒的颗粒模型和大豆籽粒群体模型。对五个品种大豆籽粒在休止角形成仪中的堆积过程进行了离散元仿真。通过仿真结果与试验结果的对比,验证了本文提出的大豆籽粒建模方法的有效性和可行性,并得到了组成球数目较合适的大豆籽粒颗粒模型。（4）对大豆籽粒在LA-LK型实验室级摆杆筛上的筛分过程进行了试验研究。研究了筛孔形状,筛孔配置,筛面长宽比和曲柄转速对筛分结果的影响,结果如下:1圆孔筛上容易发生颗粒堆积现象,而相同尺寸下的方孔筛上则不会发生颗粒堆积现象;2对筛分结束后筛面上籽粒的组分进行了分析,发现其不随曲柄转速的变化而变化。尺寸区间为6.85 mm7.00 mm和7.00 mm7.30 mm的颗粒为难筛颗粒;3利用分配曲线对总体筛分性能进行分析,结果表明:分配曲线不随曲柄转速的变化而变化,筛面长宽比对分配曲线影响显著;4对不同尺寸区间大豆籽粒的透筛率沿筛面长度方向的分布情况进行了研究。结果发现:对于圆孔筛,在筛面前两段,随着筛下物粒径的减小,其透筛率随之升高。另外,随着曲柄转速的增加,筛下物在筛面首段的透筛率呈下降趋势,筛下物在筛面第3段的透筛率呈上升趋势。对于方孔筛来说,其透筛率沿筛面的分布情况与圆孔筛相同,不同的是筛下物的籽粒组分,方孔筛对尺寸区间为7.30mm7.60 mm和7.00 mm7.30 mm的籽粒有很强的透筛性。另外,研究了筛面长宽比对透筛率分布的影响,结果发现筛面长宽比仅会对筛孔之后位置的透筛率有影响,而不会对筛孔之前位置的透筛率产生影响。（5）提出了一种平面多刚体运动学与离散元法的耦合模型。提出了一个基于CAD模型的平面多刚体运动学建模方法,将该方法与基于CAD模型的边界建模方法相结合,可实现复杂运动机构的边界建模。基于刚体坐标变换的思想,推导了随刚体运动的统计区内颗粒局部坐标的计算公式,以及球形颗粒与统计区之间位置关系的判定公式。提出了一种改进的精确算法,用来计算球形颗粒相在长方体内的孔隙率。设计了八个统计量用于筛分仿真结果的定量分析,他们分别为颗粒停留时间、通过质量百分率、分配数、颗粒与壁面之间的碰撞次数、颗粒之间的碰撞次数、颗粒流体积、颗粒流沿给定方向的平均速度和颗粒流孔隙率。基于上述工作,研制了一款复杂运动振动筛上颗粒流的仿真分析软件AgriDEM-MBK。（6）采用AgriDEM-MBK软件,对LA-LK型实验室级摆杆筛上的大豆颗粒流及其透筛特性进行了仿真分析,主要结论如下。1利用基于CAD模型的平面多刚体运动学建模方法与基于CAD模型的离散元法边界建模方法相结合的方法,建立了LA-LK型实验室级摆杆筛的边界模型。2通过筛箱上指定点的运动轨迹的试验结果与仿真结果的对比,发现二者吻合很好,验证了本文所建立的平面多刚体运动学模型的准确性。3通过筛面上颗粒流和筛下物中不同尺寸区间籽粒的透筛率沿筛面长度方向分布的试验值与仿真值的对比,发现二者吻合得良好,验证了本文提出的平面多刚体运动学与离散元法耦合模型的有效性和准确性。4通过仿真的手段研究了曲柄长度、筛面倾角、筛孔尺寸、曲柄转速和喂入速率对筛分特性的影响,从中可以得到以下结论:a.随着喂入速率的增加、筛面倾角的减小以及筛孔尺寸的减少,颗粒在筛面首段的堆积效应越明显。同时,喂入速率的增加和筛面倾角的减小有助于筛面首段透筛率的增加;b.随着曲柄长度的降低和曲柄转速的升高,筛面第2段的颗粒流体积随之增加;c.随着喂入速率的增加、曲柄长度的降低以及筛面倾角的降低,分配曲线越来越平缓,这一方面有助于小于筛孔尺寸颗粒的透筛,但另一方面也阻碍了大于筛孔尺寸颗粒的流出。筛孔尺寸的增加有利于分离特性的提升。曲柄转速对于分离特性不敏感。5采用二次正交旋转组合设计对LA-LK型实验室级摆杆筛中的结构参数和运动参数进行优化,得到最优的参数组合。