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组合内窝孔玉米精密排种器优化设计新方法研究

作　者: 颜辉
导　师: 于建群
学　校: 吉林大学
专　业: 农业机械化工程
关键词: 精密排种器离散元法玉米种子仿真分析优化设计
分类号: S223.2
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

本文以一种新型玉米精密排种器——组合内窝孔玉米精密排种器和三种玉米种子为研究对象，对非规则形状颗粒——玉米种子的建模方法、复杂结构机械部件——排种器的建模方法和非规则形状颗粒的离散元法计算方法等进行了深入研究，在此基础上采用课题组研发的基于离散元法的三维CAE软件，对组合内窝孔玉米精密排种器进行了设计和工作过程仿真分析，并与排种器的台架试验结果进行了对比，以期建立一种玉米精密排器优化设计的新方法，本文的主要研究工作和结果如下。1）按照玉米排种器工作过程仿真分析的需要，选择平安18、吉峰218和长单228三种玉米种子作为实验样本，对三种玉米种子的物理力学性质进行了测试，包括三轴尺寸、千粒重、颗粒密度、刚度系数、碰撞恢复系数、动静摩擦系数等。在此基础上，对于种子品种、种子含水率等相关因素对碰撞恢复、刚度、摩擦系数等产生的影响进行了分析，为排种器工作过程仿真分析提供参数依据。2）对颗粒建模方法进行了综述，总结了非规则形状颗粒的五种球充填建模方法。对以玉米种子为代表的非规则形状颗粒的建模方法进行了深入研究。以三种玉米种子——平安18、吉峰218和长单228为研究对象，提出基于形状特征和基于扫描数据的玉米种子颗粒建模方法。建立了基于点云和基于三角形网格面的球颗粒自动填充建模算法；在Pro/ENGINEER软件环境下，建立了球颗粒手动充填建模方法。分别采用两种建模方法，建立了较为精细的玉米种子颗粒模型，并对其性质进行了分析，建立了求解颗粒质心、惯性主轴及其转动惯量的方法。最后通过一些简单实例验证了所建立模型的可行性和有效性，为后续仿真实验奠定基础。3）提出由边界的三维Pro/ENGINEER模型，建立其三维离散元法分析模型的方法。在对Pro/ENGINEER软件进行二次开发的基础上，深入研究了边界Pro/ENGINEER实体模型中与颗粒材料接触的规则曲面的识别及读取、运动及材料属性的绑定和数据存储等问题；初步建立了平面、球面、圆柱面、圆锥面、球冠面、圆台面和球台面等十余种规则曲面的离散元法分析模型；在此基础上，实现了由组合内窝孔玉米精密排种器的三维Pro/ENGINEER实体模型建立其三维离散元法分析模型，为该排种器工作过程和性能的仿真分析奠定基础。4）研究了采用球颗粒组合方法，建立非规则形状颗粒——玉米种子分析模型时，非规则形状颗粒的离散元法计算方法，包括非规则形状颗粒的邻居搜索方法、接触判断方法、接触叠合量求解方法、接触作用力计算方法和颗粒运动计算方法等，初步建立了非规则形状颗粒的离散元法计算方法。5）进行了组合内窝孔玉米精密排种器工作过程的台架试验。采用透明有机玻璃研制出组合内窝孔精密排种器试验样机，选择三种玉米种子（平安18、吉峰218、长单228）和三种排种轮转速（26.82r/min、39.33r/min、51.96r/min），在PSJ排种器性能试验台上，进行了该排种器的台架试验，并采用高速摄像系统和爆破分析软件，对排种器的工作过程及其性能进行了深入分析。得到了三种转速下,三种玉米种子的单粒率、双粒率和空穴率；对三种转速下,三种玉米种子的清种开始角、清种终止角、种子面倾斜角进行了分析；对种子的运动轨迹、合速度等进行了分析。6）利用Pro/ENGINEER软件，设计了组合内窝孔玉米精密排种器的三维实体模型；采用课题组自主研发的边界建模模块，通过读取排种器的三维实体模型数据，建立了该排种器的三维离散元法分析模型；采用课题组自主研发的离散元法仿真模块，仿真分析了组合内窝孔玉米精密排种器的工作过程及性能，包括排种性能指标、清种角、投种角、种子面倾斜角、种子的运动轨迹、合速度等，同时将仿真分析结果和排种器的台架试验结果进行了对比，可知：①三种转速下，仿真与试验的单粒率、双粒率和空穴率相对误差最大值为9.89%；②清种开始角和清种终止角的仿真值均比试验值小，其绝对误差最大值分别为8.49°、19.8°，相对误差最大值为12.38%；③投种角的仿真值与试验值相差不大，其绝对误差最大值为2.78°，相对误差最大值为14.11%；④充种轨迹和投种轨迹的仿真与试验结果均比较接近，且相对误差较小；⑤种子运动合速度的仿真值与试验值绝对误差很小（均在0.1单位以内），相对误差除个别位置外均在10%以内，仿真值与试验值的变化趋势基本一致；⑥以长单228种子为例，分析了不同刚度系数（300、3000、30898N/m）、不同摩擦系数及不同颗粒建模方法对仿真结果的影响。综上所述，虽然仿真结果与试验结果有误差，但两者比较接近、变化趋势一致；由此验证了采用离散元法和自主研制的CAE软件分析玉米排种器的可行性和有效性，为组合内窝孔玉米精密排种器的优化设计建立了一种新方法。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-14
第1章绪论  14-29
  1.1 课题提出及意义  14-15
  1.2 精密排种器及其研究现状  15-22
    1.2.1 精密排种器的原理和特点  15-20
    1.2.2 精密排种新原理及新技术  20-22
  1.3 离散元法及其应用  22-27
    1.3.1 离散元法的基本原理及其应用  22-23
    1.3.2 离散元法的数学模型  23-25
    1.3.3 离散元法在排种器研究中的应用  25-27
  1.4 本文的主要研究内容  27-29
    1.4.1 本文研究的主要内容  27-28
    1.4.2 本文研究的技术路径（研究步骤流程图）  28-29
第2章玉米种子物理力学性质测试分析  29-56
  2.1 引言  29
  2.2 玉米种子物理性质的测试及分析  29-37
    2.2.1 玉米种子三轴尺寸的测试及分析  30-32
    2.2.2 玉米种子千粒重的测试与分析  32-33
    2.2.3 玉米种子的密度测试和分析  33-34
    2.2.4 玉米种子含水率的测试与分析  34-36
    2.2.5 玉米种子含水率的调整与分析  36-37
  2.3 玉米种子力学性质的测试与分析  37-54
    2.3.1 玉米种子静摩擦系数的测试与分析  37-39
    2.3.2 玉米种子动摩擦系数的测试与分析  39-43
    2.3.3 玉米种子刚度系数的测试与分析  43-47
    2.3.4 玉米种子破裂力的测试与分析  47-49
    2.3.5 玉米种子弹性模量的测试与分析  49-50
    2.3.6 玉米种子碰撞恢复系数的测试与分析  50-54
  2.4 本章小结  54-56
第3章基于离散元法的玉米种子颗粒建模方法研究  56-89
  3.1 引言  56-59
  3.2 三维扫描仪和数据处理软件  59-65
    3.2.1 Konica Minolta Vivid 910 三维扫描仪  59-62
    3.2.2 逆向工程软件  62-65
  3.3 基于手动充填的玉米种子颗粒建模  65-72
    3.3.1 玉米种子数据读取  65-68
    3.3.2 玉米种子颗粒模型的手动充填建模方法  68-72
  3.4 基于球颗粒自动填充的玉米种子颗粒建模  72-77
    3.4.1 基于点云的球颗粒自动填充建模  72-74
    3.4.2 基于三角形网格面的球颗粒自动填充建模  74-75
    3.4.3 球填充过程优化  75-76
    3.4.4 球颗粒自动填充建模过程  76-77
  3.5 颗粒模型性质的分析计算  77-79
  3.6 玉米种子三维离散元法分析模型的建立  79-83
    3.6.1 基于手动充填的玉米种子模型  79-80
    3.6.2 基于自动填充的玉米种子模型  80-83
  3.7 玉米种子颗粒模型的实例验证  83-88
    3.7.1 手动充填建模、自动填充建模和三维扫描结果实例对比  83-85
    3.7.2 圆桶内堆积模拟  85-86
    3.7.3 漏斗落料过程模拟  86-88
  3.8 本章小结  88-89
第4章基于离散元法的精密排种器建模方法研究  89-114
  4.1 引言  89-90
  4.2 三维 CAD 软件 Pro/ENGINEER 及其二次开发  90-94
    4.2.1 三维 CAD 软件 Pro/ENGINEER 简介  90-91
    4.2.2 Pro/ENGINEER 二次开发工具 Pro/TOOLKIT 介绍  91-92
    4.2.3 Pro/TOOLKIT 二次开发关键技术  92-93
    4.2.4 Pro/TOOLKIT 应用程序的注册及运行  93-94
  4.3 基于 Pro/ENGINEER 实体模型的几何信息提取方法  94-105
    4.3.1 三维曲线对象的识别和几何信息提取  94-96
    4.3.2 三维基本曲面对象的识别和几何信息提取  96-101
    4.3.3 三维组合曲面对象的识别和几何信息提取  101-104
    4.3.4 其他非规则曲面几何信息的提取  104-105
    4.3.5 复杂结构机械部件几何信息的提取  105
  4.4 三维边界运动属性和材料特性的添加  105-107
  4.5 边界的三维离散元法分析模型建立  107-108
  4.6 三维离散元法边界建模的实例验证  108-109
  4.7 组合内窝孔精密排种器三维离散元法分析模型的建立  109-112
  4.8 本章小结  112-114
第5章非规则形状颗粒的离散元法计算方法研究  114-131
  5.1 引言  114
  5.2 邻居搜索方法  114-117
    5.2.1 常用邻居搜索方法  114-116
    5.2.2 颗粒间的邻居搜索方法  116
    5.2.3 边界的邻居搜索方法  116-117
  5.3 接触判断和叠合量计算  117-124
    5.3.1 颗粒间的接触判断  117-118
    5.3.2 颗粒与边界的接触判断  118-124
  5.4 接触相对位移计算  124-128
    5.4.1 颗粒之间的计算  124-126
    5.4.2 颗粒与边界之间的计算  126-128
  5.5 接触作用力计算和颗粒运动求解  128-130
    5.5.1 接触作用力计算  128
    5.5.2 颗粒运动求解  128-130
  5.6 本章小结  130-131
第6章组合内窝孔玉米精密排种器工作过程的试验研究  131-146
  6.1 引言  131
  6.2 试验设备及仪器  131-135
    6.2.1 玉米排种器  132
    6.2.2 PSJ 排种器性能试验台  132-133
    6.2.3 高速摄像系统  133-135
    6.2.4 BLASTER’S MAS  135
    6.2.5 其他设备  135
  6.3 组合内窝孔玉米排种器的试验及结果分析  135-144
    6.3.1 试验方案与步骤  136-137
    6.3.2 试验结果及分析  137-144
  6.4 本章小结  144-146
第7章组合内窝孔玉米精密排种器工作过程的仿真分析  146-174
  7.1 引言  146-153
    7.1.1 仿真软件介绍  146-148
    7.1.2 仿真模型建立  148-151
    7.1.3 仿真参数选取  151-153
  7.2 排种器工作过程的三维仿真结果与台架试验结果对比分析  153-166
    7.2.1 排种性能的仿真与试验对比  155-156
    7.2.2 清种角的仿真与试验对比  156-158
    7.2.3 投种角的仿真与试验对比  158-160
    7.2.4 种子面倾斜角的仿真结果及分析  160-161
    7.2.5 种子运动轨迹的仿真结果及分析  161-163
    7.2.6 种子运动合速度的仿真结果及分析  163-166
  7.3 不同颗粒模型和力学模型参数时的仿真结果及分析  166-171
    7.3.1 不同刚度系数的仿真结果及分析  166-168
    7.3.2 不同摩擦系数的仿真结果及分析  168-169
    7.3.3 不同颗粒模型的仿真结果及分析  169-171
  7.4 本章小结  171-174
第8章全文总结与展望  174-181
  8.1 全文总结  174-179
  8.2 工作展望  179-181
参考文献  181-190
作者简介及在学期间所取得的科研成果  190-191
致谢  191

组合内窝孔玉米精密排种器优化设计新方法研究

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