专利名称：基于离散元法的玉米脱粒过程分析方法
技术领域：
本发明涉及玉米脱粒过程的研究，是一种分析玉米脱粒过程的新方法，特别适合于玉米脱粒过程分析和玉米脱粒机优化时采用。
背景技术：
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。但由于玉米脱粒过程的复杂性，到目前为止，国内外已报道的玉米脱粒过程分析， 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。试验方法和统计分析方法费时费力，所得结果一般也不具有普遍意义，还不能洞察玉米脱粒过程的物理机理。传统连续介质力学的分析方法，只能分析脱粒过程中单个玉米穗、玉米芯或玉米籽粒的受力和运动情况，或把玉米穗、玉米芯和玉米籽粒当成一个整体来分析，这与实际玉米脱粒过程中，玉米穗、玉米芯和玉米籽粒群体的相互作用和运动过程差别较大。本发明专利提供一种分析玉米脱粒过程的新方法，即基于颗粒动力学——离散元法的玉米脱粒过程分析方法。从已经掌握的文献资料看，采用颗粒动力学方法，从细观角度对脱粒过程进行物理仿真尚未见报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种分析玉米脱粒过程的新方法，该方法的优点是①在设计阶段通过修改脱粒机的CAD模型、玉米籽粒、玉米芯和玉米穗的分析模型、连接和接触作用的力学模型、离散元法计算参数，能分析不同品种玉米、不同工况、不同原理、不同结构和尺寸玉米脱粒机的性能，由此实现玉米脱粒机结构方案和尺寸参数的优化；②通过脱粒机的CAD模型，能进行玉米脱粒过程的动态仿真，由此分析玉米脱粒机的工作机理或工作过程，还可以发明新原理和新结构的玉米脱粒机，这是现有玉米脱粒机的研究和设计方法不能做到的。本发明的上述目的通过以下技术方案实现。—种基于离散元法的玉米脱粒过程分析方法，包括以下步骤步骤一，建立全局坐标系x-y-z和第一局部坐标系X-Y-Z，在第一局部坐标系 X-Y-Z生成玉米穗；步骤二，采用球颗粒聚合方法建立玉米穗和玉米芯的离散元法分析模型，采用一个球即连接球模拟玉米籽粒果柄，且认为籽粒果柄与玉米籽粒是一个整体；步骤三，以组成玉米籽粒或玉米芯某个球i的球心与另一个接触玉米籽粒或玉米芯组成球j的球心连线为X'轴，Y'轴和Z'轴符合右手旋转法则，由此建立第二局部坐标系X' -Y' -Z'；在第二局部坐标系X' -Y' -Z'下，计算玉米籽粒或玉米芯与另一个接触玉米籽粒或玉米芯间的接触作用斥力；
步骤四，把步骤三计算的每一个籽粒所有组成球的接触作用斥力，变换到第三局部坐标系X" -Y" -Z"下并求合力，根据该合力在X" -Y" -Z"下求每一个籽粒与其生长的玉米芯之间的连接力，如果连接力大于由试验测定的连接力，则该玉米籽粒即从玉米芯上脱离一脱粒；步骤五，如果连接力小于由试验测定的连接力，则该玉米籽粒从玉米芯上不脱离， 此时需在第三局部坐标系X" -Y" -Z"下，求解未脱落籽粒相对玉米芯的新位置并更新玉米粒的位置。所述全局坐标系x-y-z是大地坐标系，所述第一局部坐标系X-Y-Z的原点与玉米穗的质量中心重合，X轴方向与玉米穗轴线重合，Y轴方向与某一籽粒中心重合，Z轴方向符合右手螺旋法则。所述玉米芯组成单元之间的连接，也采用步骤二同样的连接球方法。所述玉米籽粒脱粒或玉米芯破碎后，删除连接球。当玉米籽粒或玉米芯与脱粒机接触时，其接触作用斥力，也采用步骤三同样的方法计算；当接触的脱粒部件表面为平面时，第二局部坐标系X'轴为i球的球心到该平面的垂线；当接触的脱粒部件表面为球面时，第二局部坐标系X'轴为i球的球心到该球面中心的连线；当接触的脱粒部件表面为柱面时，第二局部坐标系X'轴为i球的球心到该柱面轴线的垂线；当接触的脱粒部件表面为锥面时，第二局部坐标系X'轴为i球的球心到该锥面轴线的垂线。计算籽粒的接触作用斥力采用接触力学模型；计算籽粒的连接作用力采用连接力学模型。试验测定的玉米籽粒与其生长的玉米芯之间的连接力，应与计算玉米籽粒与其生长的玉米芯之间的连接力，在同一个坐标系下进行。所述第三局部坐标系X" -Y" -Z"，其X"轴与第一局部坐标系X-Y-Z的X轴重合，Y"轴为被分析玉米籽粒质心与玉米芯中心的连线，Z"轴符合右手螺旋法则。其步骤是在一个时步内的计算方法，下一时步的计算，重复上述步骤。本发明的技术效果根据上述玉米脱粒过程分析方法，设计了基于离散元法的玉米脱粒过程分析软件，并实现了与CAD软件的集成，从而开发出一种集设计和性能分析评价为一体的玉米脱粒过程分析和脱粒机优化设计软件，其结构如图5所示。图6为采用上述分析方法及其软件，由CAD模型实现的一种结构滚筒式玉米脱粒机工作过程的二维离散元法仿真分析。图7为改变CAD模型，采用上述分析方法及其软件， 实现的另一种结构滚筒式玉米脱粒机工作过程的二维离散元法仿真分析。图8为一种滚筒式玉米脱粒机的三维CAD模型，图9为由图8的CAD模型和软件建立的该脱粒机的三维离散元法分析模型。图10为采用上述分析方法及其软件，实现的脱粒机脱粒过程的三维离散元法仿真分析。从图中可以看出，随着仿真计算时间的延续，玉米粒逐渐从玉米穗上脱落并从脱粒机凹板上的孔漏出。图11为软件给出的脱粒过程的破碎率、脱净率和籽粒沿脱粒机轴线分布的分析结果，由此可评价脱粒过程或脱粒机性能。上述实例充分证明了本发明的方法及其实现软件的可行性和优点，而且也证明了本发明的方法及其实现软件，可由玉米脱粒机的CAD模型，进行玉米脱粒过程的仿真分析，通过改变玉米脱粒机的CAD模型，可分析不同结构和尺寸玉米脱粒机的性能，从而实现玉米脱粒机的性能优化，由此可解决玉米脱粒机的优化设计技术问题，并可产生显著的技术效果。
图1全局坐标系和第一局部坐标系的建立。图2玉米芯、籽粒和籽粒果柄。图3两颗粒组成球接触时的第二局部坐标系的建立。图4计算玉米籽粒转动的局部坐标系。图5玉米脱粒过程分析和脱粒机优化设计新方法及其软件的结构。图6由CAD模型实现的一种结构滚筒式玉米脱粒机工作过程的二维离散元法仿真分析。图7改变CAD模型实现的另一种结构滚筒式玉米脱粒机工作过程的二维离散元法仿真分析。图8 一种滚筒式玉米脱粒机的三维CAD模型图9 一种滚筒式玉米脱粒机的三维离散元法分析模型图10玉米脱粒过程的三维离散元法仿真分析，其中，(a)玉米穗生成；(b)玉米穗开始脱粒；(c)脱粒继续进行；(d)脱粒过程结束。图11软件给出的脱粒过程分析结果，其中，(a)脱净率分析结果；(b)破碎率分析结果；(c)脱落籽粒沿脱粒机轴线分布统计结果。图中1.玉米籽粒P，2.玉米籽粒，3.玉米芯，4.籽粒果柄，5.凹板，6.分离筛， 7.滚筒钉齿，8.玉米穗，9.玉米穗入口
具体实施例方式下面结合附图进一步说明本发明的具体内容及建模过程。①玉米脱粒机的建模方法脱粒机的建模方法，采用申请人获得的发明专利“基于CAD模型的边界建模方法”(专利号200510016835. 7)建立，即把与玉米穗接触的脱粒机中零件表面离散成图元， 如平面、球面、柱面、锥面等，并添加运动属性和材料特性，由此建立脱粒机的离散元法分析模型。②脱粒过程的作用力计算方法通过观察可知，玉米穗包含玉米芯和生长在芯上的籽粒两个部分组成，且通常玉米穗成圆台形，而玉米籽粒截面近似梯形。为分析玉米的脱粒过程，需建立图1所示的全局坐标系x-y-z和局部坐标系 X-Y-Z。其中全局坐标系x-y-z是大地坐标系，局部坐标系X-Y-Z的原点与玉米穗的质量中心重合，X轴方向与玉米穗轴线重合，Y轴方向与某一籽粒质心重合，Z轴方向符合右手螺旋法则。为了模拟玉米籽粒与玉米芯之间的连接，采用一个球(称连接球)模拟籽粒果柄，且籽粒果柄与玉米籽粒是一个整体，如图2所示。玉米籽粒脱落后，连接球删除。玉米芯组成单元之间的连接，也采用同样的连接球方法。为分析玉米的脱粒过程，首先在全局坐标系的脱粒机玉米穗入口随机产生一点， 作为待生成玉米穗的质量中心，然后以该中心为坐标原点，产生局部坐标系X-Y-Z并生成一个玉米穗，下一时步再随机产生一点，并用同样方法生成另一个玉米穗，如此反复。其中玉米籽粒和玉米穗的分析模型，可通过实际玉米籽粒和玉米穗的测量参数控制。分析玉米脱粒过程可知，作用力包括籽粒与籽粒之间、籽粒与玉米芯之间和籽粒与脱粒部件之间的作用力，还包括玉米芯与玉米芯之间和玉米芯与脱粒部件之间的作用力。在采用颗粒聚合体方法建立玉米穗分析模型时，当籽粒未脱落前，籽粒与其生长的玉米芯之间作用力为连接力(吸力)，同一玉米芯组成单元之间的作用力也为连接力(吸力)； 而籽粒与其它籽粒之间、籽粒与其生长的玉米芯以外玉米芯之间、籽粒与脱粒部件之间的作用力为接触斥力；同理，玉米芯与其他玉米芯间、玉米芯与脱粒部件之间的作用力也为接触斥力。由于玉米籽粒和玉米芯的建模方法，均采用球颗粒组合的方法，因此籽粒和玉米芯上的作用力，可采用球颗粒的计算方法进行，这样就避免了求解非线性方程组。下面以某一玉米籽粒P为例，介绍作用力的计算方法。首先在全局坐标系x-y-z中，建立图3所示的局部坐标系X' -Y' -Z'。其中X' 轴为玉米籽粒P组成球i的球心与另一个接触籽粒或玉米芯组成球j的球心连线，Y'轴平行于全局坐标系x-y平面，Z'轴符合右手螺旋法则。在X' -Y' -Z'局部坐标系中，当i 球与j球的中心距小于两球的半径之和时，则两球接触，其法向叠合量K为δη = R1 + Rj - ^(x, - Xj)2+(y,-yj.)2+(Z1-Zj)2式中氏、民、(Xi, Yi, Zi)和(Xj，Yj, Zj)分别为球i和j的半径及中心点在全局坐标系x-y-z的坐标。当采用线性粘弹性力学模型，计算两球的接触斥力时，两球间的法向(沿 X'轴方向)作用力为F^ =F^+F^式中i^；1为t时刻接触两球沿X'轴的作用力；JF忍为接触的法向弹性力， F^=-KrSn, Xjr为接触的法向刚度系数为接触的法向阻尼力，i^ =-Cxj /M; Cx,为法向粘性阻尼系数；Διιχ,为t时刻两球接触处的法向相对位移，At为计算时间步长。接触两球间产生的切向(沿Y'、v轴方向)接触作用力为
「nnml Fm - Fm + F(t)
LUUOJJ 1 7'(Z') — ι Υ'(Ζ')Κ 卞 1 Y'(Z")D式中巧为t时刻接触两球沿Y'或Z'轴方向的切向作用力；巧为沿Y' 或Z'轴方向的切向弹性力，巧=F1^H+AF7^y ；巧^^为上一时步接触的切向弹性力；AF7^y Z-Xn^AMnz); Kr (z,)为接触的切向刚度系数；Δ ur )为t时刻两球接触处沿Y'或Z'轴方向的切向相对位移；巧^为沿Y'或Z'轴方向的切向阻尼力， F^d=-Cnz^urizl jM-Xr (z,)为切向粘性阻尼系数。两球接触时产生的绕X'轴回转力矩为Mf, =M%式中M災为t时刻两球接触时产生的绕X ‘轴回转弹性力矩， = M%tf) + ；M^为上一时步两球接触时产生的绕X ‘轴回转弹性力矩;接触的回转刚度系数为t时刻接触两球绕X'轴相对角位移； Mf为t时刻接触两球绕X'轴回转阻尼力矩，
权利要求
1.一种基于离散元法的玉米脱粒过程分析方法，其特征在于包括以下步骤步骤一，建立全局坐标系x-y-z和第一局部坐标系X-Y-Z，在第一局部坐标系X-Y-Z生成玉米穗；步骤二，采用球颗粒聚合方法建立玉米穗和玉米芯的离散元法分析模型，采用一个球即连接球模拟玉米籽粒果柄，且认为籽粒果柄与玉米籽粒是一个整体；步骤三，以组成玉米籽粒或玉米芯某个球i的球心与另一个接触玉米籽粒或玉米芯组成球j的球心连线为X'轴，Y'轴和Z'轴符合右手旋转法则，由此建立第二局部坐标系 X' -Y' -Z'；在第二局部坐标系X' -Y' -Z'下，计算玉米籽粒或玉米芯与另一个接触玉米籽粒或玉米芯间的接触作用斥力；步骤四，把步骤三计算的每一个籽粒所有组成球的接触作用斥力，变换到第三局部坐标系X" -Y" -Z"下并求合力，根据该合力在X" -Y" -Z"下求每一个籽粒与其生长的玉米芯之间的连接力，如果连接力大于由试验测定的连接力，则该玉米籽粒即从玉米芯上脱离——脱粒；步骤五，如果连接力小于由试验测定的连接力，则该玉米籽粒从玉米芯上不脱离，此时需在第三局部坐标系X" -Y" -Z"下，求解未脱落籽粒相对玉米芯的新位置并更新玉米粒的位置。
2.根据权利要求1所述的一种基于离散元法的玉米脱粒过程分析方法，其特征在于， 所述全局坐标系x-y-z是大地坐标系，所述第一局部坐标系X-Y-Z的原点与玉米穗的质量中心重合，X轴方向与玉米穗轴线重合，Y轴方向与某一籽粒中心重合，Z轴方向符合右手螺旋法则。
3.根据权利要求1所述的一种基于离散元法的玉米脱粒过程分析方法，其特征在于， 所述玉米芯组成单元之间的连接，也采用步骤二同样的连接球方法。
4.根据权利要求1所述的一种基于离散元法的玉米脱粒过程分析方法，其特征在于， 所述玉米籽粒脱粒或玉米芯破碎后，删除连接球。
5.根据权利要求1所述的一种基于离散元法的玉米脱粒过程分析方法，其特征在于， 当玉米籽粒或玉米芯与脱粒机接触时，其接触作用斥力，也采用步骤三同样的方法计算；当接触的脱粒部件表面为平面时，第二局部坐标系X'轴为i球的球心到该平面的垂线；当接触的脱粒部件表面为球面时，第二局部坐标系X'轴为i球的球心到该球面中心的连线；当接触的脱粒部件表面为柱面时，第二局部坐标系X'轴为i球的球心到该柱面轴线的垂线； 当接触的脱粒部件表面为锥面时，第二局部坐标系X'轴为i球的球心到该锥面轴线的垂线。
6.根据权利要求1所述的一种基于离散元法的玉米脱粒过程分析方法，其特征在于， 计算籽粒的接触作用斥力采用接触力学模型；计算籽粒的连接作用力采用连接力学模型。
7.根据权利要求1所述的一种基于离散元法的玉米脱粒过程分析方法，其特征在于， 试验测定的玉米籽粒与其生长的玉米芯之间的连接力，应与计算玉米籽粒与其生长的玉米芯之间的连接力，在同一个坐标系下进行。
8.根据权利要求1所述的一种基于离散元法的玉米脱粒过程分析方法，其特征在于， 所述第三局部坐标系X" -Y" -Z"，其X"轴与第一局部坐标系X-Y-Z的X轴重合，Y"轴为被分析玉米籽粒质心与玉米芯中心的连线，Z"轴符合右手螺旋法则。
9.根据权利要求1所述的一种基于离散元法的玉米脱粒过程分析方法，其特征在于， 其步骤是在一个时步内的计算方法，下一时步的计算，重复上述步骤。
全文摘要
本发明涉及一种基于离散元法的玉米脱粒过程分析方法。用于玉米脱粒过程的研究。包括以下步骤建立全局坐标系x-y-z和第一局部坐标系X-Y-Z；采用球颗粒聚合方法建立玉米穗和玉米芯的离散元法分析模型；以组成玉米籽粒或玉米芯某个球i的球心与另一个接触玉米籽粒或玉米芯组成球j的球心连线为X′轴，Y′轴和Z′轴符合右手旋转法则；把上步计算的每一个籽粒所有组成球的接触作用斥力，变换到第三局部坐标系X″-Y″-Z″下并求合力；如果连接力小于由试验测定的连接力，则该玉米籽粒从玉米芯上不脱离，此时需在第三局部坐标系X″-Y″-Z″下，求解未脱落籽粒相对玉米芯的新位置并更新玉米粒的位置。
文档编号A01F11/06GK102415243SQ20111029382
公开日2012年4月18日 申请日期2011年10月4日 优先权日2011年10月4日
发明者于亚军, 于建群, 付宏, 周海玲, 王玉杰 申请人:吉林大学