[发明专利]一种基于弹塑性连接力学模型的玉米脱粒过程仿真方法

说明书

本发明属于连接力学模型技术领域，尤其为一种基于弹塑性连接力学模型的玉米脱粒过程仿真方法，采用多次连续加载和卸载方式,作用在籽粒上的外力分别沿X、Y、Z轴方向加载至籽粒从果柄上脱落，在加载和卸载(再加载)过程设置不同的连接刚度系数来表征脱粒过程中籽粒果柄能量的耗散。本发明采用离散元法研究玉米脱粒过程，建立了玉米脱粒过程分析方法及仿真软件，提出了一种基于颗粒聚合体方法的玉米果穗建模方法，发展了一种基于弹塑性的连接力学模型，并初步实现了对玉米脱粒过程的仿真分析。

技术领域

本发明涉及连接力学模型技术领域，具体为一种基于弹塑性连接力学模型的玉米脱粒过程仿真方法。

背景技术

玉米是中国第一大粮食作物，年产量超过2.6亿吨，作为玉米生产的关键环节，玉米脱粒过程的影响至关重要。为此，深入研究玉米脱粒过程及机理对于提升玉米生产质量、降低劳动成本、加速玉米收获机械化进程以及实现玉米全价值收获等方面均具有较大意义。

由于玉米果穗几何结构和力学行为的复杂性，到目前为止，国内外大都采用经验方法、试验方法、统计分析方法或连续介质力学的分析方法对脱粒装置进行性能分析或优化设计。其中试验方法和统计分析方法依托于大量的试验，生产周期较长，而所得结果一般也不具有普遍意义；连续介质力学的分析方法，只能分析单个玉米果穗、玉米芯或玉米籽粒的受力和运动情况，与实际玉米脱粒过程中，玉米果穗、玉米芯和玉米籽粒群体与脱粒部件的接触作用和运动过程差别较大。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于弹塑性连接力学模型的玉米脱粒过程仿真方法，解决了目前基于颗粒聚合体方法的玉米果穗建模方法中的连接力学模型还较为简单，在测试机理和模型算法上还存在着缺陷，影响分析方法的精度和仿真软件的实际应用价值的问题。

(二)技术方案。

本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

一种基于弹塑性连接力学模型的玉米脱粒过程仿真方法，包括线性阻尼力学模型和弹塑性力学模型部分；

所述线性阻尼力学模型，具体包括：

对玉米籽粒果柄力学特性进行了测试分析，籽粒与玉米芯之间局部坐标系如图1所示，作用在籽粒上的外力分别沿X、Y、Z轴方向加载至其脱落，籽粒果柄受力与位移曲线近似为线性，采用线性阻尼力学模型计算玉米籽粒与玉米芯之间沿X、Y、Z轴的连接力，具体表现为：

式中为t时刻籽粒与芯之间沿X、Y、Z轴方向的连接力，为沿X、Y、Z轴方向连接的弹性力；

式中为上一时步沿X、Y、Z轴方向连接的弹性力；k_X(Y,Z)为沿X、Y、Z轴方向连接的刚度系数(OP段近似直线斜率)；Δu_X(Y,Z)为t时刻籽粒与芯之间沿X、Y、Z轴方向的相对位移增量；为沿X、Y、Z轴方向连接的阻尼力；

式中c_X(Y,Z)为沿X、Y、Z轴方向连接的阻尼系数；Δt为计算时间步长。

采用该模型初步实现了对籽粒与玉米芯之间连接力的计算，以及对玉米脱粒过程的仿真分析，但该模型还比较简单，在测试机理和模型算法上还有一些问题需要深入研究：一方面，通过加载使籽粒直接脱落的测试机理，与实际脱粒过程中籽粒经过脱粒部件反复打击或挤搓作用后脱落差距较大；另一方面，通过阻尼模型表征脱粒过程中籽粒果柄能量的耗散的可行性，以及阻尼系数的确定方法是一个难点。

所述弹塑性力学模型，具体包括：