基于三维离散元法的玉米脱粒过程分析方法研究

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。