CN102298660B - 一种离散元法边界建模的通用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种离散元法边界建模的通用方法，适合于采用离散元法分析评价机械部件工作性能时使用。技术方案是：包括以下7个步骤：步骤一，交互识别机械部件中与颗粒材料接触作用的零件表面；步骤二，自动识别零件表面是规则曲面还是非规则曲面；步骤三，自动识别规则曲面的缺失部分；步骤四，非规则曲面离散成规则曲面的组合；步骤五，读取规则曲面的参数；步骤六，交互添加曲面的运动参数和材料特性参数；步骤七，保存边界模型数据。通过改变机械部件的CAD模型，可分析不同结构和尺寸机械部件的性能，从而实现机械部件结构和尺寸的优化，由此解决机械部件优化设计的技术问题，并可产生显著的技术效果。

Description

一种离散元法边界建模的通用方法

技术领域

本发明涉及采用离散元法分析颗粒材料与机械部件(又称边界)接触作用时，一种建立机械部件离散元法分析模型的通用方法，适合于采用离散元法分析评价机械部件工作性能时使用。

背景技术

在工农业生产领域，大量存在着颗粒材料与机械部件的接触作用和颗粒材料的流动过程。例如在农业生产领域，耕地、开沟、播种、施肥、脱粒、分离、清选、粉碎、干燥、输送、仓储、分级、加工和包装等过程中，始终存在着颗粒材料与机械部件的接触作用和颗粒材料的流动过程。在众多工业生产领域，例如制药、食品、化工、材料、采矿、能源和岩土工程等领域，也大量存在着颗粒材料与机械部件的接触作用和颗粒材料的流动过程。

颗粒材料的流动除与颗粒本身形状、尺寸和物理力学性质有关外，还与相关机械部件的结构形式、尺寸参数和运动参数有关。以往采用基于连续介质力学的方法，研究颗粒材料与机械部件的接触作用和颗粒群体动力学问题，只能把颗粒群体作为一个整体来考虑，不能考虑颗粒群体中颗粒间的接触作用及其对颗粒运动的影响，也无法分析颗粒群体中颗粒之间时而接触时而又分离的不连续性，因此不能很好地解决该问题。目前进行相关机械设计时，大都依靠设计者的经验和试验方法，既费时费力又得不到理想的效果。据估计仅由颗粒材料输送所造成的相关设备利用损失就达40％，远未达到优化设计和节省能源的要求。

随着计算机技术的发展，基于离散介质力学的方法，愈来愈引起人们的重视。其中Cundall等提出的离散元法，是一种计算密相颗粒群体力学行为的数值方法。该方法把颗粒材料简化成具有一定形状和质量颗粒的集合，赋予接触颗粒间及颗粒与接触边界(机械部件)间某种接触力学模型和模型中的参数，以考虑颗粒之间及颗粒与边界之间的接触作用和颗粒与边界的不同物理力学性质。离散元法采用动态松弛法、牛顿第二定律和时步迭代，求解每个颗粒的运动速度和位移，因而特别适合于求解非线性问题；当采用不同的接触模型时，还可以分析颗粒结块、颗粒聚合体的破坏过程、多相流动、甚至可以包括化学反应和传热等问题。正是由于诸多优点，使得离散元法已成为研究颗粒材料与边界接触作用和颗粒群体动力学问题的通用方法，并在岩土工程及装备、采矿工程及装备、化工过程及装备、制药工程及装备、食品工程及装备和农业工程及装备等研究领域得到较多应用。

在采用离散元法分析颗粒材料与机械部件的接触作用时，需要建立机械部件的离散元法分析模型。目前已报道三种离散元法边界建模方法。一是函数建模，即对于比较简单的边界如一个圆柱面，可以采用圆柱面方程建立该边界的离散元法分析模型。二是排列颗粒的方法，即把一定尺寸的球颗粒按照边界形状排列，一般也只用于简单边界的建模。第三种称“有限壁(Finite Wall Methods)”方法，该方法把边界表面离散成小三角形平面的组合，是复杂结构边界建模的常用方法。但“有限壁”方法是一种近似方法：①求解颗粒与边界的接触点(接触力作用点)和接触叠合量(用于计算接触作用力)是近似的；②在小三角形平面的连接处一阶导数不连续，致使所求颗粒与边界的法向和切向接触作用力具有突变性；③在采用赫芝模型求解接触作用力时，对于曲面边界取无穷大的曲率半径，这些均与实际的边界情况差别较大。为了提高建模精度，往往还需要较多数量的三角形平面，由此增加了离散元法的计算时间。国外2个著名的离散元法商品软件PFC3D和EDEM，即采用函数建模和“有限壁”的边界建模方法。

分析可知，机械部件中与颗粒材料接触作用的零件表面，一般可分为两类。一类是能用初等解析函数表达的规则曲面，如平面、球面、柱面和锥面等。另一类是不能用初等解析函数表达的非规则曲面。对于规则曲面，可采用描述该曲面的函数，直接建立其离散元法分析模型，称规则曲面建模方法。当规则曲面带有缺失部分时，如一个平面上钻有圆孔或一个柱面上开有沟槽等，可自动识别去除缺失部分，而且由于制造工艺的限制，机械部件表面的缺失部分，往往也可以由规则曲面表示，这样采用规则曲面的建模方法，就可以建立较多数量的零件表面(包括规则曲面和带有缺失部分的规则曲面)的离散元法分析模型，从而在一定程度上减少了“有限壁”建模方法的缺点。对于非规则曲面，可离散成规则曲面的组合，由这些规则曲面建立其离散元法分析模型，即采用类似于“有限壁”的建模方法，称非规则曲面建模方法。如果进一步采用人机交互，只识别与颗粒材料接触作用的边界表面并建立其分析模型，这样就可以进一步减少所建立边界模型的数量，由此即可建立一种通用的离散元法边界建模方法。该通用的边界建模方法，与“有限壁”的边界建模方法相比，可提高离散元法的计算精度，而且由于减少了边界模型的数量，还减少了离散元法的计算时间。

发明内容

本发明的目的是提供一种离散元法边界建模的通用方法，该方法的优点是：①通用性，适合于具有任意曲面的机械部件建模，较函数建模和排列颗粒方法建模具有通用性；②精准性，“有限壁”方法把边界表面都离散成三角形平面，本发明的边界建模方法，对于规则曲面和带缺失部分的规则曲面边界，均采用规则曲面方法建立分析模型，对于非规则曲面根据近似程度，可离散成平面、球面、柱面和锥面等规则曲面的组合，因此较“有限壁”的边界建模方法精确；③简便性，可实现由机械部件的CAD模型，直接建立边界的离散元法分析模型；④计算量小，由于规则曲面和带缺失部分的规则曲面均采用规则曲面方法直接建模，而且只对与颗粒接触的边界表面进行建模，因而减少了边界模型的数量，又减少了离散元法计算时间。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现，参见图1。

一种离散元法边界建模的通用方法，包括以下7个步骤：

步骤一，交互识别机械部件中与颗粒材料接触作用的零件表面；

步骤二，自动识别零件表面是规则曲面还是非规则曲面；

步骤三，自动识别规则曲面的缺失部分；

步骤四，非规则曲面离散成规则曲面的组合；

步骤五，读取规则曲面的参数；

步骤六，交互添加曲面的运动参数和材料特性参数；

步骤七，保存边界模型数据。

所述规则曲面是指能用初等解析函数表达的曲面，包括多边形平面、圆形平面、扇形平面、弓形平面，完整和非完整直圆柱面、圆锥面、圆台面，完整和非完整圆环面、球面、球冠面和球台面。

所述非规则曲面是指不能用初等解析函数表达的自由曲面。

所述规则曲面的缺失部分可用圆形平面、多边形平面、圆柱体和多面体建立其离散元法分析模型。

所述非规则曲面离散成的规则曲面包括：多边形平面、圆形平面、扇形平面、弓形平面、完整和非完整直圆柱面、圆锥面、圆台面、完整和非完整圆环面、球面、球冠面和球台面。

本发明的技术效果是：

在对Pro/E软件进行二次开发的基础上，实现了上述通用的边界建模方法，同时还实现了Pro/E软件与自主研制的三维离散元法分析软件的集成，从而开发出一种集设计与性能分析评价为一体的与颗粒材料接触作用的机械部件优化设计的软件，其结构参阅图2所示。

图3、图4、图5、图6、图7和图8分别为采用上述通用建模方法中的规则曲面建模方法和软件，由规则曲面——四边形平面、扇形平面、球冠面、非完整直圆柱面、圆台面和非完整曲圆柱面的三维CAD模型，建立的该曲面边界的三维离散元法分析模型。

图9为采用上述通用建模方法中的非规则曲面建模方法和软件，由非规则曲面——1种开沟器工作面的三维CAD模型，建立的该边界的三维离散元法分析模型，图10为开沟器工作过程的三维离散元法仿真分析。

图11为采用上述通用建模方法中的规则曲面建模方法和软件，由一种排肥器的三维CAD模型，建立了该排肥器的三维离散元法分析模型，然后采用三维离散元法分析该排肥器的工作过程。

图12为混合采用上述通用建模方法中的规则曲面和非规则曲面建模方法和软件，由一种排种器的三维CAD模型，建立了该排种器的三维离散元法分析模型，然后采用三维离散元法分析该排种器的工作过程。

图13为混合采用上述通用建模方法中的规则曲面和非规则曲面建模方法和软件，由一种螺旋输送机的三维CAD模型，建立了该输送机的三维离散元法分析模型，然后采用三维离散元法分析输送机的工作过程。

上述实例充分证明了本发明的通用建模方法及其实现软件的可行性及优点。而且也证明了本发明的方法及其实现软件，可由机械部件的CAD模型，进行机械部件工作过程的仿真分析，通过改变机械部件的CAD模型，可分析不同结构和尺寸机械部件的性能，从而可以实现机械部件结构和尺寸的优化，由此解决机械部件优化设计的技术问题，并可产生显著的技术效果。

附图说明

图1一种通用的离散元法边界建模方法。

图2相关机械部件优化设计软件的结构。

图3由规则曲面——四边形平面的三维CAD模型建立的该边界的三维离散元法分析模型，其中，

(a)四边形平面的三维CAD模型；

(b)四边形平面的三维离散元法分析模型。

图4由规则曲面——扇形平面的三维CAD模型建立的该边界的三维离散元法分析模型，其中，

(a)扇形的三维CAD模型；

(b)扇形的三维离散元法分析模型。

图5由规则曲面——球冠面的三维CAD模型建立的该边界的三维离散元法分析模型，其中，

(a)球冠面的三维CAD模型；

(b)球冠面的三维离散元法分析模型。

图6由规则曲面——非完整直圆柱面的三维CAD模型建立的该边界的三维离散元法分析模型，其中，

(a)非完整直圆柱面的三维CAD模型；

(b)非完整直圆柱面的三维离散元法分析模型。

图7由规则曲面——圆台面的三维CAD模型建立的该边界的三维离散元法分析模型，其中，

(a)圆台面的三维CAD模型；

(b)圆台面的三维离散元法分析模型。

图8由规则曲面——非完整圆环面的三维CAD模型建立的该边界的三维离散元法分析模型，其中，

(a)非完整圆环面的三维CAD模型；

(b)非完整圆环面的三维离散元法分析模型。

图9由非规则曲面——开沟器工作面的三维CAD模型建立的该边界的三维离散元法分析模型，其中，

(a)开沟器工作面的三维CAD模型；

(b)开沟器工作面的三维离散元法分析模。

图10非规则曲面——开沟器工作面开沟过程的三维离散元法仿真分，其中，

(a)开沟器开始入土时；

(b)开沟器开沟过程。

图11由CAD模型实现的一种排肥器工作过程的三维离散元法仿真分析，其中，

(a)排肥器的三维CAD模型；

(b)排肥器工作过程的三维仿真分析。

图12由CAD模型实现的一种排种器工作过程的三维离散元法仿真分析，其中，

(a)排种器的三维CAD模型；

(b)排种器工作过程的三维仿真分析。

图13由CAD模型实现的螺旋输送机工作过程的三维离散元法仿真分析，其中，

(a)输送机的三维CAD模型；

(b)输送机工作过程的三维仿真分析。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体内容及建模过程。

一般来说，机械部件的结构是比较复杂的，但与颗粒材料接触作用的零件表面，一般可分为两种。一种是能用初等解析函数表达的规则曲面，如平面、球面、柱面和锥面等。另一种是不能用初等解析函数表达的非规则曲面。对于规则曲面和带有缺失部分的规则曲面，可直接采用描述该曲面的函数，建立其离散元法分析模型，称规则曲面建模方法。对于非规则曲面，可把其离散成多规则曲面的组合，由这些规则曲面建立其离散元法分析模型，称非规则曲面建模方法。再加上人机交互，只识别与颗粒材料接触作用的边界表面并建立其分析模型，由此可建立一种通用的离散元法边界建模方法，该边界建模方法的步骤参阅图1所示。

当规则曲面不完整时，可自动识别去除。例如一个平面上钻有圆孔或一个柱面上开有沟槽等。由于制造工艺的限制，机械部件表面的缺失部分，往往也可以由规则曲面表示。

离散元法计算时，对于规则曲面，可用解析方法，由颗粒方程与规则曲面函数联立，求出颗粒与边界的接触叠合量和接触作用力。对于非规则曲面，也可用解析方法，由颗粒方程和离散成的规则曲面函数联立，求出颗粒与边界的接触叠合量和接触作用力。而且可根据精度要求，控制非规则曲面离散成规则曲面的密度。

在本发明的实施例中，构成了一种软件应用程序以实现上述方法，该软件应用程序包括所构成的用来引起计算机执行所述方法的指令，这些指令可以存储在任何类型的计算机可读介质上，这些介质可以无限制的包括CD-ROM、软盘、磁带和固态存储器等。

在Window平台并采用C++语言，通过Pro/Toolkit开发工具对Pro/E软件进行二次开发，实现了上述通用的边界建模方法和建模软件，参见图1。

采用该方法和建模软件，首先在Pro/E软件中设计机械部件的CAD模型并保存到Pro/E数据库中，然后通过人机交互识别机械部件CAD模型中与颗粒材料接触作用的零件表面(曲面)，此时建模软件可自动识别曲面是规则的还是非规则的，如果是规则曲面或带有缺失部分的规则曲面，则建模软件自动读取该曲面的类型和参数，同时添加运动参数和材料特性参数；如果是非规则曲面，则建模软件自动离散为规则曲面的组合，同时添加运动参数和材料特性参数，最后把曲面类型和参数保存到数据库中，由此即建立了该机械部件的离散元法分析模型。

通过数据库共享，还实现了边界建模软件与自主研制的三维离散元法分析软件的集成，从而开发出一种集设计与性能分析评价为一体的与颗粒材料接触作用的机械部件优化设计的软件，其结构参阅图2所示。

通过对上述软件的实例验证，参见图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12和图13，证明了本发明的通用边界建模方法及其实现软件的可行性和优点。

虽然已经参照特定的实施例对本发明进行了说明，但应当理解，实施例是示例性的，而本发明的范围不限于这些实施例。许多对所述实施例的变化、改型、附加和改进是可行的。特别是这些变化可以包含计算机或其它数据处理装置，包含软件、固件或其它实施上述方法编程的计算机可读介质(诸如软盘、CD-ROM、DVD-ROM等)、存储装置、计算机存储器等。这些变化、改型、附加和改进被认为属于在以下权利要求内所述本发明的范围内。

Claims (1)

1.一种离散元法边界建模的通用方法，其特征在于，包括以下7个步骤：

步骤一，交互识别机械部件中与颗粒材料接触作用的零件表面；

步骤二，自动识别零件表面是规则曲面还是非规则曲面；

步骤三，自动识别规则曲面的缺失部分；

步骤四，非规则曲面离散成规则曲面的组合；

步骤五，读取规则曲面的参数；

步骤六，交互添加曲面的运动参数和材料特性参数；

步骤七，保存边界模型数据；

所述规则曲面是指能用初等解析函数表达的曲面，包括多边形平面、圆形平面、扇形平面、弓形平面，完整和非完整直圆柱面、圆锥面、圆台面，完整和非完整圆环面、球面、球冠面和球台面；

所述非规则曲面是指不能用初等解析函数表达的自由曲面；

所述规则曲面的缺失部分用圆形平面、多边形平面、圆柱体或多面体建立其离散元法分析模型；

所述非规则曲面离散成的规则曲面包括：多边形平面、圆形平面、扇形平面、弓形平面、完整和非完整直圆柱面、圆锥面、圆台面、完整和非完整圆环面、球面、球冠面和球台面。

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