复杂结构和运动方式机械部件的离散元法分析方法研究

在设计制造领域，传统的机械部件设计是通过反复的设计、试验、修改设计过程来得到想要的结果，这样既费时又费力，而且不一定能够达到理想的目标。而采用计算机仿真技术将机械部件的设计转移到计算机仿真平台上，不仅能够解决传统设计方法的不足，还使机械部件的设计和制造有了一定的科学依据。 然而，对于机械部件工作过程的仿真，由于工农业生产中存在大量颗粒材料，如农作物种子、粒状肥料、药物颗粒等，采用连续介质动力学方法不能很好的分析颗粒的运动状况。离散元法是在20世纪70年代末由Cundall提出的，并且已经成为一种通用的研究颗粒群体动力学问题的方法。离散元法的基本思想是，把颗粒群体简化成具有一定形状和质量的颗粒集合，然后赋予接触的各个颗粒之间以及颗粒和边界之间某种接触力学模型和模型中的参数，用以考虑颗粒和颗粒之间及颗粒和边界之间的接触作用，颗粒与边界的不同物理性质。离散元法可以通过不同的接触力学模型分析不同的过程，使其在不同研究领域得到了广泛应用。 在进行离散元法分析时，除了需要建立颗粒材料模型外，还需要建立机械部件的离散元法分析模型。但是至今在离散元法分析方法中对边界建模的关注还是比较少，主要集中在颗粒的几何模型和接触力模型等相关方面。为此，本文在课题组研究的基于Pro/E软件建立边界的离散元法分析模型基础上，研究在UG环境下建立边界分析模型的方法，同时，重点探索了关于复杂运动方式机械部件的离散元法分析方法。 对于边界CAD模型中的基本图形，如平面、球面、圆柱面和圆锥面等，它们可由初等解析函数来表示，只要根据这种图形的几何特性，就可以建立其边界模型。而复杂结构机械部件的边界无法用初等解析函数来表示，本文应用UG软件二次开发中的UG/OPEN开发工具，采用基于AFT(Advancing Front Technique，推进波前法)的直接法对复杂曲面进行网格剖分，以此为复杂结构的机械部件建立离散元法分析模型。 由于工农业生产中的机械部件，除了简单的运动方式如平动、转动及平动和转动的复合运动外，往往还会有复杂的运动方式参与其中，这种复杂的运动方式在机械中都是必不可少的。但是复杂运动方式的计算仿真却不能像简单运动方式那样，直接用简单的数学方法来实现运动规律。为此，本文采用多刚体系统运动学分析方法，来建立复杂运动方式机械部件的分析模型，通过线性及非线性的数值分析计算得到运动过程的数据，并结合OpenGL三维图形库实现复杂运动方式机械部件的仿真，然后根据课题组研究的离散元法分析技术，进一步实现复杂运动方式机械部件的离散元法计算仿真。目前，对于复杂运动方式机械部件的离散元法分析方法的研究在国内外还未见报导。 本文在上述理论和方法及本课题组的研究成果基础上，结合设计需求，根据软件设计流程，开发了基于不同CAD软件模型的复杂结构机械部件的离散元法分析建模软件，以及根据多刚体系统运动学分析方法设计了复杂运动方式机械部件的离散元法计算仿真功能。同时，给出了程序编写过程中有代表性的测试用例，对复杂结构边界的离散元法分析模型及复杂运动方式边界的离散元法分析进行了实例验证，进一步证明了软件的正确性、可行性及有效性。 综上所述，本文建立的离散元法边界建模方法具有一定通用性，能够方便的为不同的复杂结构机械部件建立离散元法分析模型，而设计的复杂运动方式的离散元法计算仿真功能有了较好的效果，接近实际结果，初步证明本文建立的方法和开发的软件是实际可行的。