一种空心杆状柔性体动力学特性的建模与仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种空心杆状柔性体动力学特性的建模与仿真方法，所述杆状离散元模型通过弹性虚拟键将直线上的球型颗粒连接起来形成的，每个虚拟键都是一个弹性空心圆筒体，通过球型颗粒连接到相邻的虚拟键上，球型颗粒的外径等于被仿真对象的外径D，虚拟键的长度lb等于被键合的两球型颗粒的距离，虚拟键外径等于被仿真对象的外径D，虚拟键的内径等于被仿真对象的内径d。在外力的作用下，球型颗粒的相对运动导致了虚拟键的变形，也导致了空心杆状柔性体的变形，根据柔性体的动力学模型，球型颗粒上的键合力和力矩可根据每一时间步递增累加获得，空心杆间的作用力或与其他物体的作用力可通过Hertz–Mindlin碰撞理论获得。

A Modeling and Simulation Method for Dynamic Characteristics of Hollow Rod Flexible Body

The invention discloses a method for modeling and simulating the dynamic characteristics of a hollow rod flexible body. The rod discrete element model is formed by connecting spherical particles on a straight line through an elastic virtual key. Each virtual key is an elastic hollow cylinder. The spherical particles are connected to adjacent virtual keys through a spherical particle. The outer diameter of the spherical particles is equal to the outer diameter D of the simulated object. The length Lb of the bond is equal to the distance between two spherical particles bonded, the outer diameter of the virtual bond is equal to the outer diameter D of the simulated object, and the inner diameter of the virtual bond is equal to the inner diameter D of the simulated object. Under the action of external forces, the relative movement of spherical particles results in the deformation of virtual bonds and hollow rod-like flexible bodies. According to the dynamics model of flexible bodies, the bonding forces and moments on spherical particles can be obtained by increasing and accumulating each time step. The forces between hollow rods or other objects can be obtained by Hertz-Mindlin collision theory.

【技术实现步骤摘要】
一种空心杆状柔性体动力学特性的建模与仿真方法
本专利技术涉及农作物茎秆动力学、运动学分析，是一种空心杆状柔性体动力学特性的建模与仿真方法，特别适合于分析农机作业过程中农作物茎秆与机械的相互作用以及农机装置的结构优化。
技术介绍
随着农业机械化水平的提高，对农机性能的要求也逐步提高。例如农收获机械每小时可分离100多吨籽粒和茎秆混合物，各子工序可接受的损失一般小于1％。因此研究在农机作业过程中农作物茎秆的力学特性，对于开发出性能稳定、结构可靠的农机装备，以及在特定的作业条件下提供更有效的控制方法具有重要意义。此外，对作物茎秆与机械作用响应的理论研究，模拟农机作业过程的分析技术的发展，有助于降低农机装备研发制造成本和缩短开发周期。研究作物茎秆与机械的相互作用，需要解决的关键问题是寻求一种柔性作物茎秆建模与仿真方法。文献1《植物茎秆屈曲行为研究》(上海交通大学，2009)和文献2《玉米茎秆力学特性的离散元建模方法研究》(西北农林科技大学，2017)分别采用有限元和离散元法，研究了压缩、拉伸和扭转等载荷作用下农作物茎秆的力学特性，但是文献1和文献2提出的模型，无法应用于农机作业过程中农作物茎秆的动力运动学特性仿真。文献3《Simulationofgrain–strawseparationbyDiscreteElementModelingwithbendablestrawparticles》(ComputersandElectronicsinAgriculture101(2014)24–33.)提出了一种柔性作物茎秆的仿真方法，但是文中所述的茎秆模型是通过刚性键连接获得，刚性键不会发生弯折，茎秆的弯折是通过键与键连接处的弹簧力模拟实现，仿真模型的精度受到模型机理的限制。目前商业软件EDEM提供了Hertz–Mindlinwithbonding模型，可用于柔性作物茎秆的建模与仿真，但是在EDEM中只能构造实心杆状模型。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术提出一种空心杆状柔性体动力学特性的建模与仿真方法，可以实现柔性作物茎秆的建模和农机作业过程农作物茎秆的动力学仿真。本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现。一种空心杆状柔性体动力学特性的建模方法，通过弹性虚拟键将直线上相邻的球型颗粒连接起来，形成杆状离散元模型，所述离散元模型的长度等于被仿真对象的长度L，所述弹性虚拟键为空心圆筒体，且弹性虚拟键的长度lb等于被键合的两球型颗粒之间的距离，弹性虚拟键的内外径分别等于被仿真对象的内径d、外径D，其中0<d<D。进一步，所述球型颗粒的外径也等于被仿真对象的外径D。进一步，所述球型颗粒上的键合力F和键合力矩T每一时间步递增和进行调整：其中dFnb是法向键合力在时间间隔dt内的增量，dFtb是切向键合力在时间间隔dt内的增量，dTnb是法向键合力矩在时间间隔dt内的增量，dTtb是切向键合力矩在时间间隔dt内的增量法向，键的法向刚度为：键的切向刚度为：键剪切模量为：E是键弹性模量，lb是虚拟键长，υ是键的泊松比，键的横截面积为：D是键的外径，d是键的内径，是组成空心杆颗粒法向相对线速度，是组成空心杆颗粒切向相对线速度，是组成空心杆颗粒法向相对角速度，是组成空心杆颗粒切向相对角速度，J是键转动惯量。进一步，所述球型颗粒之间的力和力矩通过弹性虚拟键传递。一种空心杆状柔性体动力学特性的仿真方法，包括以下步骤：步骤1)，将工作部件导入仿真软件，并设置后部件的运动参数；步骤2)，建立杆状离散元模型；步骤3)，导入接触模型，步骤4)，进行接触检测，并计算接触力；步骤5)，更新部件和离散元模型的力和运动信息；步骤6)，判断是否到达设定的仿真时间，如果是，则仿真结束，如果否，则重复步骤4)-6)，直到到达设定的仿真时间。进一步，所述杆状离散元模型的建立过程为：通过弹性虚拟键将直线上相邻的球型颗粒连接起来，形成杆状离散元模型。进一步，所述离散元模型的长度等于被仿真对象的长度L。进一步，所述弹性虚拟键为空心圆筒体，且弹性虚拟键的长度lb等于被键合的两球型颗粒之间的距离，弹性虚拟键的内外径分别等于被仿真对象的内径d、外径D，其中0<d<D。本专利技术的有益效果是：本专利技术提出的杆状离散元建模方法，可以构建具有与农作物茎秆相似的结构，还具有与农作物茎秆相似的静力学和动力学特性离散元模型，即在外部静力的作用下，与农作物茎秆有相同的形变；在外部动力的作用下，与农茎秆有相同的动力学响应特性。本专利技术所提供的离散元模型和仿真方法，可实现土壤耕作机械、种植机械、植物保护机械、作物收获机械、农产品加工机械和农业运输机械等多种农机的作业过程仿真。通过对农机作业过程的仿真实现其结构和作业参数的优化，提高农机产品质量缩短研发设计时间。附图说明图1为杆状离散元模型示意图；图2为杆状离散元模型的悬臂弯曲模拟和加载过程示意图，图2(a)为悬臂弯曲模拟示意图，图2(b)为悬臂弯曲加载过程示意图；图3为杆状离散元模型的轴向拉伸模拟和加载过程示意图，图3(a)为轴向拉伸模拟示意图，图3(b)为轴向拉伸加载过程示意图；图4为杆状离散元模型的悬臂弯曲模拟与析解结果比较和相对误差图，图4(a)为悬臂弯曲模拟结果图，图4(b)为悬臂弯曲析解结果比较和相对误差图；图5为茎秆悬臂梁振动的挠度-时间曲线图；图6为杆状离散元模型的轴向拉伸模拟与析解结果比较和相对误差图，图6(a)为轴向拉伸模拟图，图6(b)为轴向拉伸析解结果比较和相对误差图；图7为茎秆轴向振动的位移-时间曲线图；图8为仿真流程图。具体实施方式下面结合附图进一步说明本专利技术的具体内容及验证过程。本实施例所述的建模与仿真方法可用于农作物茎秆以及木质材料、塑胶材料、橡胶材料和金属材料的空心杆状柔性体动力学的建模与仿真，本实施例以农作物茎秆为例进行阐述。一、柔性农作物茎秆建模获取被仿真农作物茎杆的物理力学特性，包括：茎杆的内径d、外径D、单位长度质量ρl、弹性模量E、泊松比υ和茎秆的长度L；确定组成茎秆的颗粒数n＝INT(L/D),颗粒的直径D，颗粒的质量以及颗粒的坐标；在颗粒的坐标位置上生成颗粒，然后生成弹性虚拟键。农作物茎秆离散元模型如图1所示，是通过弹性虚拟键将直线上的球型颗粒连接起来的，每个虚拟键都是一个弹性空心圆筒体，通过球型颗粒连接到相邻的虚拟键上，键合球型颗粒之间的力和力矩通过虚拟键传递，离散元模型的长度等于被仿真作物茎秆的长度L，弹性虚拟键的长度lb等于被键合的两球型颗粒之间的距离，lb大于等于两球型颗粒的半径之和，虚拟键的外径等于作物茎秆的外径D，虚拟键的内径等于作物茎秆的内径d(0<d<D)；键的初始键合力和键合力矩为零，在外力的作用下，球型颗粒在茎中的相对运动导致了弹性虚拟键的变形，从而导致农作物茎秆的变形；茎秆内部颗粒上的键合力(F)和键合力矩(T)可根据每一时间步递增和进行调整：其中：dFnb是法向键合力在时间间隔dt内的增量，dFtb是切向键合力在时间间隔dt内的增量，dTnb是法向键合力矩在时间间隔dt内的增量，dTtb是切向键合力矩在时间间隔dt内的增量法向，键的法向刚度为：键的切向刚度为：茎秆剪切模量为：E是键弹性模量，lb是虚拟键长，υ是键的泊松比，键的横截面本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种空心杆状柔性体动力学特性的建模方法，其特征在于，通过弹性虚拟键将直线上相邻的球型颗粒连接起来，形成杆状离散元模型，所述离散元模型的长度等于被仿真对象的长度L，所述弹性虚拟键为空心圆筒体，且弹性虚拟键的长度lb等于被键合的两球型颗粒之间的距离，弹性虚拟键的内外径分别等于被仿真对象的内径d、外径D，其中0<d<D。

【技术特征摘要】
1.一种空心杆状柔性体动力学特性的建模方法，其特征在于，通过弹性虚拟键将直线上相邻的球型颗粒连接起来，形成杆状离散元模型，所述离散元模型的长度等于被仿真对象的长度L，所述弹性虚拟键为空心圆筒体，且弹性虚拟键的长度lb等于被键合的两球型颗粒之间的距离，弹性虚拟键的内外径分别等于被仿真对象的内径d、外径D，其中0<d<D。2.根据权利要求1所述的空心杆状柔性体动力学特性的建模方法，其特征在于，所述球型颗粒的外径也等于被仿真对象的外径D。3.根据权利要求1所述的空心杆状柔性体动力学特性的建模方法，其特征在于，所述球型颗粒上的键合力F和键合力矩T每一时间步递增和进行调整：其中是法向键合力在时间间隔dt内的增量，dFtb是切向键合力在时间间隔dt内的增量，是法向键合力矩在时间间隔dt内的增量，dTtb是切向键合力矩在时间间隔dt内的增量法向，键的法向刚度为：键的切向刚度为：键剪切模量为：E是键弹性模量，lb是虚拟键长，υ是键的泊松比，键的横截面积为：D是键的外径，d是键的内径，是组成空心杆颗粒法向相对线速度，是组成空心杆颗粒切向相对线速度，是组成空心杆颗粒法向相对角速度，是组成空心杆颗粒切向相对角速度，J是键转动...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛罕平，王奇瑞，李青林，刘洋，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32