CN118133590A - 大蒜收获机变刚度柔性夹持输送装置的刚柔耦合仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种大蒜收获机变刚度柔性夹持输送装置的刚柔耦合仿真方法，涉及动力学仿真技术领域，在设计阶段通过修改夹持输送装置的三维模型、大蒜植株模型、接触作用的力学模型、运动学仿真参数、离散元仿真参数。通过大蒜夹持输送装置的三维模型，能进行大蒜植株夹持输送过程的动态仿真，由此分析大蒜夹持输送装置的工作机理或工作过程，能分析不同作物茎杆、不同工况、不同结构和尺寸夹持输送装置的性能，由此实现夹持输送装置结构方案和尺寸参数优化。优化后的参数应用到实际装置中，可增加装置的可靠性，提高了装置改进效率，对促进大蒜收获行业技术进步有着显著的意义。
Description
技术领域
本申请涉及动力学仿真技术领域，具体涉及一种大蒜收获机变刚度柔性夹持输送装置的刚柔耦合仿真方法。
背景技术
变刚度柔性夹持输送装置是茎杆类作物夹持输送的重要部分，也是大蒜联合收获机的核心工作模块，主要机理是变刚度柔性夹持输送装置向前行走，大蒜植株从喂入口进入并被双联带夹持，主动轮带动双联带转动，实现茎杆的变刚度柔性夹持输送，提供“大夹持力-小变形”的作业要求。
传统的大蒜联合收获机在大蒜植株夹持输送过程中常出现的输送成功率低、漏持率和断茎率高、可靠性差等问题，造成上述问题的根本原因是大蒜联合收获机中的变刚度柔性夹持输送装置导致的，因此需要对变刚度柔性夹持输送装置的运动参数进行优化。现有技术中，为了实现对大蒜联合收获机中的变刚度柔性夹持输送装置进行优化，需要在大蒜收获季节进行大蒜收获作业时，在变刚度柔性夹持输送装置上设置多种传感器，从而实现变刚度柔性夹持输送装置的运动参数采集，进而进行实时优化调整。
但是在变刚度柔性夹持输送装置的优化调整中，也直接影响了大蒜收获。因此，如何在不影响大蒜收获的前提下，实现对变刚度柔性夹持输送装置的参数优化是本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本申请为了解决上述技术问题，提出了如下技术方案：
第一方面，本申请实施例提供了一种大蒜收获机变刚度柔性夹持输送装置的刚柔耦合仿真方法，包括：
构建变刚度柔性夹持输送装置的简化装配体模型；
将重建的模型导入RecurDyn软件中，将双联带网格划分转化为FFlex柔性体，设置Patch面；
定义约束Joint、运动Motion、力Force和接触Conact条件，进行运动学仿真；
获取大蒜植株和土壤的物性参数，在三维软件中构建1:1大蒜植株三维模型；
建立植株和土壤离散元模型，进行离散元仿真，验证颗粒间的接触和位置的正确性；
将双联带以wall文件形式导入EDEM软件，建立刚柔耦合模型，进行EDEM-MFBD的耦合仿真；
仿真结束后，查看不同工况下大蒜植株的运动状态以及茎杆的受力和变形情况，获取大蒜植株运动过程的关键性仿真数据。
在一种可能的实现方式中，所述构建变刚度柔性夹持输送装置的简化装配体模型，包括：
利用三维建模软件NX12.0建立变刚度柔性夹持输送装置模型；
将对后续仿真结果不产生影响的零件去除，以此减少仿真过程中不必要约束的添加；
最终保留双联带、主动轮、浮动轮、固定轮、从动轮、压带轮、圆柱短套、参考架、支架板和夹持主体十个部分的设计尺寸与形状，作为变刚度柔性夹持输送装置的简化装配体模型。
在一种可能的实现方式中，所述将重建的模型导入RecurDyn软件中，将双联带网格划分转化为FFlex柔性体，设置Patch面，包括：
将变刚度柔性夹持输送装置的简化装配体模型导出为Parasolid格式文件导入Recurdyn中；
将双联带进行网格均匀划分转换为FFlex柔性体，点击Mesher进入网格划分界面，采用四面体网格进行划分，网格划分得到多个节点和多个单元，设置双联带外表面为SetPatch，分别设置双联带的弹性模量、泊松比和杨氏模量。
在一种可能的实现方式中，所述定义约束Joint、运动Motion、力Force和接触Conact条件，进行运动学仿真，包括：
参考架以地为参考添加平动副；
夹持主体包括浮动夹持主体和固定夹持主体，浮动夹持主体以参考架为参考添加固定副，固定夹持主体以浮动夹持主体为参考添加平动副；
固定夹持主体上的从动轮以对应的圆柱短套为参考添加旋转副，压带轮以圆柱短套为参考添加旋转副；固定轮分为第一固定轮和第二固定轮，第一固定轮以其对应的圆柱短套为参考添加旋转副，第二固定轮以固定夹持主体为参考添加旋转副；主动轮以夹持主体为参考添加旋转副；
浮动夹持主体上的从动轮以其对应的圆柱短套为参考添加旋转副，压带轮以其对应的圆柱短套为参考添加旋转副，浮动轮以其对应的支架板为参考添加旋转副；
固定夹持主体上的圆柱短套以固定夹持主体为参考添加平动副，浮动固定夹持主体上的圆柱短套和第一支架板以浮动夹持主体为参考添加平动副，第二支架板以浮动夹持主体为参考添加旋转副和标准轴向力；
固定夹持主体上的从动轮、压带轮、固定轮、主动轮和双联带之间添加接触副，浮动夹持主体上的从动轮、压带轮、浮动轮、主动轮和双联带之间添加接触副，两个双联带之间添加接触副；
根据夹持输送的转速和前进速度，在添加的旋转副和平动副上利用Motion模块添加IF驱动函数。
在一种可能的实现方式中，获取大蒜植株和土壤的物性参数，在三维软件中构建1:1大蒜植株三维模型，包括：
获取大蒜植株和土壤的物性参数，包括大蒜植株的密度、剪切模量、泊松比，土壤的密度、剪切模量、泊松比；
根据所述大蒜植株和土壤的物性参数在三维软件NX12.0中构建1:1大蒜植株三维模型。
在一种可能的实现方式中，所述建立植株和土壤离散元模型，进行离散元仿真，验证颗粒间的接触和位置的正确性，包括：定义本征参数、接触参数和粘结模型，包括土壤颗粒的半径、接触半径、粘结半径，土壤颗粒间的碰撞恢复系数、动摩擦系数、静摩擦系数，土壤颗粒和大蒜植株间的碰撞恢复系数、动摩擦系数、静摩擦系数，大蒜植株和双联带间的碰撞恢复系数、动摩擦系数、静摩擦系数，土壤颗粒-土壤颗粒和土壤颗粒-大蒜植株的接触模型均为Hertz-Mindlin无滑移接触模型。
在一种可能的实现方式中，所述将双联带以wall文件形式导入EDEM软件，建立刚柔耦合模型，进行EDEM-MFBD的耦合仿真，包括：利用RecurDyn中External SPI功能模块下的EDEM接口模块将双联带SetPatch以wall文件形式导出，并通过Geometries模块下的Import Geometry from RecurDyn功能导入EDEM软件，建立刚柔耦合模型，进行EDEM-MFBD的耦合仿真。
在一种可能的实现方式中，所述仿真结束后，查看不同工况下大蒜植株的运动状态以及茎杆的受力和变形情况，获取大蒜植株运动过程的关键性仿真数据，包括：仿真结束后，查看不同工况下，包括不同夹持输送速度与前进速度速比、不同喂入角、不同浮动轮弹性系数下大蒜植株的运动状态以及茎杆的受力和变形情况，获取大蒜植株运动过程的关键性仿真数据，用于对变刚度柔性夹持输送装置参数进行优化。
在本申请实施例中，在设计阶段通过修改夹持输送装置的三维模型、大蒜植株模型、接触作用的力学模型、运动学仿真参数、离散元仿真参数。通过大蒜夹持输送装置的三维模型，能进行大蒜植株夹持输送过程的动态仿真，由此分析大蒜夹持输送装置的工作机理或工作过程。能分析不同作物茎杆、不同工况、不同结构和尺寸夹持输送装置的性能，由此实现夹持输送装置结构方案和尺寸参数优化。优化后的参数应用到实际装置中，可增加装置的可靠性，提高了装置改进效率，对促进大蒜收获行业技术进步有着显著的意义。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种大蒜收获机变刚度柔性夹持输送装置的刚柔耦合仿真方法示意图；
图2为本申请实施例提供的变刚度柔性夹持输送装置重建装配体模型图；
图3为本申请实施例提供的添加条件后的Recurdyn仿真模型图示意图；
图4为本申请实施例提供的双联带张紧后的Recurdyn仿真模型示意图；
图5为本申请实施例提供的大蒜植株三维实体模型示意图；
图6为本申请实施例提供的大蒜植株离散元模型示意图；
图7为本申请实施例提供的大蒜植株和土壤离散元模型示意图；
图8为本申请实施例提供的EDEM-MFBD的刚柔耦合仿真示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本方案进行阐述。
参见图1，本申请实施例提供的大蒜收获机变刚度柔性夹持输送装置的刚柔耦合仿真方法，包括：
S101，构建变刚度柔性夹持输送装置的简化装配体模型。
利用三维建模软件NX12.0建立夹持输送模型，为提高建模和后期仿真效率以及双联带网格能够均匀划分，在多体动力学仿真过程中可将对仿真结果不产生影响的零件省去或者重新构建，以此减少仿真过程中不必要约束的添加，提高仿真效率。如图2，本实施例中将变刚度柔性夹持输送装置动力学仿真模型的各零部件重建为：压带轮1、双联带2、夹持主体3、从动轮4、固定轮5、参考架6、主动轮7、浮动轮8、圆柱短套9和支架板10。
S102，将构建的模型导入RecurDyn软件中，将双联带网格划分转化为FFlex柔性体，设置Patch面。
把夹持输送模型导出为Parasolid格式文件导入Recurdyn中。将双联带进行网格均匀划分转换为FFlex柔性体，点击“Mesher”进入网格划分界面，采用四面体网格进行划分。本实施例中，网格划分得到4997个节点、3919个单元，设置双联带外表面为SetPatch，设置双联带的弹性模量7966MPa，泊松比0.475,杨氏模量350MPa。
S103，定义约束Joint、运动Motion、力Force和接触Conact条件，进行运动学仿真。
如图3中，根据所述夹持输送装置运动学仿真参数，建立RecurDyn仿真模型，其中11为移动函数、12为固定副、13为SetPatch面、14为接触、15为旋转函数，16为标准轴向力。并且本实施例中根据构建的变刚度柔性夹持输送装置的简化装配体模型中的部件共添加36个约束，包括1个固定副、11个平动副、18个旋转副，13个运动函数，包括11个平动函数、2个旋转函数，4个标准轴向力，15个接触。
具体地，结合图2和图4，参考架6以地为参考添加平动副，浮动夹持主体36以参考架6为参考添加固定副，固定夹持主体37以浮动夹持主体36为参考添加平动副。从动轮4以圆柱短套17为参考添加旋转副，压带轮1以圆柱短套18为参考添加旋转副，固定轮5以圆柱短套19为参考添加旋转副，固定轮21以圆柱短套20为参考添加旋转副，固定轮22以固定夹持主体37为参考添加旋转副，固定轮23以固定夹持主体37为参考添加旋转副，主动轮24以固定夹持主体37为参考添加旋转副。
从动轮26以圆柱短套25为参考添加旋转副，压带轮28以圆柱短套27为参考添加旋转副，浮动轮8以支架板10为参考添加旋转副，浮动轮29以支架板30为参考添加旋转副，浮动轮31以支架板32为参考添加旋转副，浮动轮33以支架板34为参考添加旋转副，主动轮7以浮动夹持主体36为参考添加旋转副。圆柱短套17、圆柱短套18、圆柱短套19和圆柱短套20以固定夹持主体37为参考添加平动副，圆柱短套25、圆柱短套27、支架板10、支架板30和支架板32以浮动夹持主体36为参考添加平动副。支架板10、支架板30、支架板32和支架板34以浮动夹持主体36为参考添加旋转副和标准轴向力。从动轮4、压带轮1、固定轮5、固定轮21、固定轮22、固定轮23、主动轮24和双联带2之间添加接触副。从动轮26、压带轮28、浮动轮8、浮动轮29、浮动轮31、浮动轮33、主动轮7和双联带35之间添加接触副，双联带2和双联带35之间添加接触副。根据夹持输送的转速和前进速度，在添加的旋转副和平动副上利用Motion模块添加IF（time-0.2：0,0，x*pi）驱动函数。
浮动夹持主体36添加的固定副是为了和参考架同时运动，参考架6添加的平动副和平动函数是为了让变刚度柔性夹持装置产生前进运动，固定夹持主体37添加的平动副和平动函数是为了让固定端恢复初始状态，圆柱短套17、圆柱短套18、圆柱短套19和圆柱短套20添加的平动副和平动函数是为了让从动轮4、压带轮1、固定轮5和固定轮21产生平移运动来张紧双联带2，圆柱短套25、圆柱短套27、支架板10、支架板30和支架板32添加的平动副和平动函数是为了让从动轮26、压带轮28、浮动轮8、浮动轮29、浮动轮31和浮动轮33产生平移运动来张紧双联带35；主动轮7和主动轮24添加的旋转副、旋转函数和接触是为了给双联带35和双联带2提供动力并产生旋转运动，从动轮4、压带轮1、固定轮5、固定轮21、固定轮22和固定轮23添加的旋转副和接触是为了跟随双联带2产生旋转运动，从动轮26、压带轮28、浮动轮8、浮动轮29、浮动轮31和浮动轮33添加的旋转副和接触是为了跟随双联带35产生旋转运动；支架板10、支架板30、支架板32和支架板34添加的旋转副和标准轴向力是为了给浮动轮8、浮动轮29、浮动轮31和浮动轮33提供拉力并产生浮动。
S104，获取大蒜植株和土壤的物性参数，在三维软件中构建1:1大蒜植株三维模型。
获取大蒜植株和土壤的物性参数，包括大蒜植株的密度198.7kg/m3、剪切模量0.4MPa、泊松比0.27，土壤的密度1480kg/m3、剪切模量21MPa、泊松比0.4；在三维软件NX12.0中构建1:1大蒜植株三维模型如图5所示。将构建的大蒜植株三维模型导出为stl格式文件导入EDEM中，并通过颗粒快速填充功能，建立大蒜植株的多球面合颗粒模型，如图6所示。
S105，建立植株和土壤离散元模型，进行离散元仿真，验证颗粒间的接触和位置的正确性。
本实施例中，确定大蒜植株和土壤的位置，建立大蒜植株和土壤离散元模型，如图7。定义本征参数、接触参数和粘结模型，包括土壤颗粒的半径2mm、接触半径2.5mm、粘结半径1mm，土壤颗粒间的碰撞恢复系数0.28、动摩擦系数0.05、静摩擦系数0.48，土壤颗粒和大蒜植株间的碰撞恢复系数0.5、动摩擦系数0.2、静摩擦系数0.43，大蒜植株和双联带间的碰撞恢复系数0.5、动摩擦系数0.09、静摩擦系数0.85，土壤颗粒-土壤颗粒和土壤颗粒-大蒜植株的接触模型均为Hertz-Mindlin无滑移接触模型。
S106，将双联带以wall文件形式导入EDEM软件，建立刚柔耦合模型，进行EDEM-MFBD的耦合仿真。
利用RecurDyn中External SPI功能模块下的EDEM接口模块将双联带SetPatch以wall文件形式导出，并通过Geometries模块下的Import Geometry from RecurDyn功能导入EDEM软件，建立刚柔耦合模型，如图8，进行EDEM-MFBD的耦合仿真。
S107，仿真结束后，查看不同工况下大蒜植株的运动状态以及茎杆的受力和变形情况，获取大蒜植株运动过程的关键性仿真数据。
仿真结束后，查看不同工况下，包括不同夹持输送速度与前进速度速比、不同喂入角、不同浮动轮弹性系数下大蒜植株的运动状态以及茎杆的受力和变形情况，获取大蒜植株运动过程的关键性仿真数据。
本实施例提供的大蒜收获机变刚度柔性夹持输送装置的刚柔耦合仿真方法，适用于茎杆类作物夹持输送过程分析和茎杆类作物夹持输送装置优化时采用，在设计阶段通过修改夹持输送装置的三维模型、大蒜植株模型、接触作用的力学模型、运动学仿真参数、离散元仿真参数。通过大蒜夹持输送装置的三维模型，能进行大蒜植株夹持输送过程的动态仿真，由此分析大蒜夹持输送装置的工作机理或工作过程，能分析不同作物茎杆、不同工况、不同结构和尺寸夹持输送装置的性能，由此实现夹持输送装置结构方案和尺寸参数优化。优化后的参数应用到实际装置中，可增加装置的可靠性，提高了装置改进效率，对促进大蒜收获行业技术进步有着显著的意义。
本申请实施例中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示单独存在A、同时存在A和B、单独存在B的情况。其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项”及其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项或复数项的任意组合。例如，a，b和c中的至少一项可以表示：a, b, c, a-b,a-c, b-c,或a-b-c，其中a, b, c可以是单个，也可以是多个。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种大蒜收获机变刚度柔性夹持输送装置的刚柔耦合仿真方法，其特征在于，包括：
构建变刚度柔性夹持输送装置的简化装配体模型；
将构建的模型导入RecurDyn软件中，将双联带网格划分转化为FFlex柔性体，设置Patch面；
定义约束Joint、运动Motion、力Force和接触Conact条件，进行运动学仿真；
获取大蒜植株和土壤的物性参数，在三维软件中构建1:1大蒜植株三维模型；
建立植株和土壤离散元模型，进行离散元仿真，验证颗粒间的接触和位置的正确性；
将双联带以wall文件形式导入EDEM软件，建立刚柔耦合模型，进行EDEM-MFBD的耦合仿真；
仿真结束后，查看不同工况下大蒜植株的运动状态以及茎杆的受力和变形情况，获取大蒜植株运动过程的关键性仿真数据。
2.根据权利要求1所述的大蒜收获机变刚度柔性夹持输送装置的刚柔耦合仿真方法，其特征在于，所述构建变刚度柔性夹持输送装置的简化装配体模型，包括：
利用三维建模软件NX12.0建立变刚度柔性夹持输送装置模型；
将对后续仿真结果不产生影响的零件去除，以此减少仿真过程中不必要约束的添加；
最终保留双联带、主动轮、浮动轮、固定轮、从动轮、压带轮、圆柱短套、参考架、支架板和夹持主体十个部分的设计尺寸与形状，作为变刚度柔性夹持输送装置的简化装配体模型。
3.根据权利要求2所述的大蒜收获机变刚度柔性夹持输送装置的刚柔耦合仿真方法，其特征在于，所述将构建的模型导入RecurDyn软件中，将双联带网格划分转化为FFlex柔性体，设置Patch面，包括：
将变刚度柔性夹持输送装置的简化装配体模型导出为Parasolid格式文件导入Recurdyn中；
将双联带进行网格均匀划分转换为FFlex柔性体，点击Mesher进入网格划分界面，采用四面体网格进行划分，网格划分得到多个节点和多个单元，设置双联带外表面为SetPatch，分别设置双联带的弹性模量、泊松比和杨氏模量。
4.根据权利要求3所述的大蒜收获机变刚度柔性夹持输送装置的刚柔耦合仿真方法，其特征在于，所述定义约束Joint、运动Motion、力Force和接触Conact条件，进行运动学仿真，包括：
参考架以地为参考添加平动副；
夹持主体包括浮动夹持主体和固定夹持主体，浮动夹持主体以参考架为参考添加固定副，固定夹持主体以浮动夹持主体为参考添加平动副；
固定夹持主体上的从动轮以对应的圆柱短套为参考添加旋转副，压带轮以圆柱短套为参考添加旋转副；固定轮分为第一固定轮和第二固定轮，第一固定轮以其对应的圆柱短套为参考添加旋转副，第二固定轮以固定夹持主体为参考添加旋转副；主动轮以夹持主体为参考添加旋转副；
浮动夹持主体上的从动轮以其对应的圆柱短套为参考添加旋转副，压带轮以其对应的圆柱短套为参考添加旋转副，浮动轮以其对应的支架板为参考添加旋转副；
固定夹持主体上的圆柱短套以固定夹持主体为参考添加平动副，浮动固定夹持主体上的圆柱短套和第一支架板以浮动夹持主体为参考添加平动副，第二支架板以浮动夹持主体为参考添加旋转副和标准轴向力；
固定夹持主体上的从动轮、压带轮、固定轮、主动轮和双联带之间添加接触副，浮动夹持主体上的从动轮、压带轮、浮动轮、主动轮和双联带之间添加接触副，两个双联带之间添加接触副；
根据夹持输送的转速和前进速度，在添加的旋转副和平动副上利用Motion模块添加IF驱动函数。
5.根据权利要求4所述的大蒜收获机变刚度柔性夹持输送装置的刚柔耦合仿真方法，其特征在于，获取大蒜植株和土壤的物性参数，在三维软件中构建1:1大蒜植株三维模型，包括：
获取大蒜植株和土壤的物性参数，包括大蒜植株的密度、剪切模量、泊松比，土壤的密度、剪切模量、泊松比；
根据所述大蒜植株和土壤的物性参数在三维软件NX12.0中构建1:1大蒜植株三维模型。
6.根据权利要求5所述的大蒜收获机变刚度柔性夹持输送装置的刚柔耦合仿真方法，其特征在于，所述建立植株和土壤离散元模型，进行离散元仿真，验证颗粒间的接触和位置的正确性，包括：定义本征参数、接触参数和粘结模型，包括土壤颗粒的半径、接触半径、粘结半径，土壤颗粒间的碰撞恢复系数、动摩擦系数、静摩擦系数，土壤颗粒和大蒜植株间的碰撞恢复系数、动摩擦系数、静摩擦系数，大蒜植株和双联带间的碰撞恢复系数、动摩擦系数、静摩擦系数，土壤颗粒-土壤颗粒和土壤颗粒-大蒜植株的接触模型均为Hertz-Mindlin无滑移接触模型。
7.根据权利要求6所述的大蒜收获机变刚度柔性夹持输送装置的刚柔耦合仿真方法，其特征在于，所述将双联带以wall文件形式导入EDEM软件，建立刚柔耦合模型，进行EDEM-MFBD的耦合仿真，包括：利用RecurDyn中External SPI功能模块下的EDEM接口模块将双联带SetPatch以wall文件形式导出，并通过Geometries模块下的Import Geometry fromRecurDyn功能导入EDEM软件，建立刚柔耦合模型，进行EDEM-MFBD的耦合仿真。
8.根据权利要求7所述的大蒜收获机变刚度柔性夹持输送装置的刚柔耦合仿真方法，其特征在于，所述仿真结束后，查看不同工况下大蒜植株的运动状态以及茎杆的受力和变形情况，获取大蒜植株运动过程的关键性仿真数据，包括：仿真结束后，查看不同工况下，包括不同夹持输送速度与前进速度速比、不同喂入角、不同浮动轮弹性系数下大蒜植株的运动状态以及茎杆的受力和变形情况，获取大蒜植株运动过程的关键性仿真数据，用于对变刚度柔性夹持输送装置参数进行优化。
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