三维离散元法仿真软件AgriDEM求解器的改进研究

我国作为粮食生产大国,每年生产粮食6亿吨,耕翻土壤上千亿吨,由此可见提高相关机械部件的工作性能,可以带来巨大的经济效益和社会效益。对于农业机械的数字化设计过程,可以采用离散元法通过计算机对物理样机建模进行模拟试验,不但可以为开发人员优化设计提供良好的数据支持,还可以减少机械制造的开发周期。因此,离散元法在农业生产仿真中得到广泛的应用。但是在仿真模拟过程中,由于农作物颗粒的数量级比较大,致使颗粒生成占用了大量仿真时间。并且由于现实世界中的农作物颗粒种类繁多,颗粒材料属性的多样性,导致在仿真过程中需要对多种颗粒进行建模,同时在计算颗粒接触力时还需要考虑不同颗粒属性的差异,这样增加了颗粒仿真的难度和时间。基于此,经过对课题组原有AgriDEM1.0软件进行深度剖析,本文添加了多种颗粒模型的生成、混合颗粒模型的邻居搜索以及混合颗粒模型接触力计算等功能,然后重新设计并实现了新软件AgriDEM2.0的求解器。首先,本文在课题组原仿真软件AgriDEM1.0的基础上,采用面向对象思想,重新设计并实现了仿真软件AgriDEM2.0的求解器。设计了颗粒建模,将球颗粒作为一种特殊的组合球进行建模;提出了颗粒生成类型概念,同时设计了普通入料口以及基于区域网格的颗粒生成方法,实现了混合颗粒模型的生成;设计了基于网格的邻居搜索算法,支持混合颗粒模型的邻居搜索;设计并实现了五种可以支持多物理属性的接触力学模型。基于上述工作实现了混合颗粒模型的仿真模拟。其次,本文设计并实现了材料试验模块,可以仿真拉伸试验模拟、压缩试验模拟、剪切试验模拟和弯曲试验模拟。通过具有连接关系的球颗粒对试验样本进行建模,实现了多种试验样本的生成。设计并实现了连接力学模型与接触力学模型的耦合计算,对于试验样本中的球颗粒,具有连接关系的球颗粒之间采用连接力学模型计算其之间的连接力,而没有连接关系的球颗粒之间采用线性粘弹性接触力学模型计算其之间的接触力。设计并实现了材料试验数据分析模块,通过仿真计算中保存的数据信息绘制机械部件受力与位移关系的趋势图。最后,本文对上述工作中实现的功能进行了测试与分析。测试结果表明本文中所实现的功能均达到了仿真模拟的要求,并且本文在AgriDEM2.0中的设计改进可以使仿真试验更贴近实际试验,从而使AgriDEM2.0软件可以更广泛的应用在各种农业生产仿真试验中。同时,本文在AgriDEM2.0计算部分的设计中提供了众多接口,本文通过这些接口设计实现了材料试验模块,对于后续人员也可以通过二次开发实现特定的仿真实验。