[发明专利]基于离散元法的玉米脱粒过程分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及玉米脱粒过程的研究，是一种分析玉米脱粒过程的新方法，特别适合于玉米脱粒过程分析和玉米脱粒机优化时采用。

背景技术

玉米是典型的多用途高产作物，经过多年发展，我国玉米的种植面积，已成为仅次于水稻的第二大作物，年产玉米近一亿五千万吨。由于各地地理和气候等原因，大部分玉米都是收获晾晒后，再进行脱粒操作。因此，玉米脱粒机的使用非常广泛。

但由于玉米脱粒过程的复杂性，到目前为止，国内外已报道的玉米脱粒过程分析，大都采用试验方法、统计分析方法或传统连续介质力学的分析方法。试验方法和统计分析方法费时费力，所得结果一般也不具有普遍意义，还不能洞察玉米脱粒过程的物理机理。传统连续介质力学的分析方法，只能分析脱粒过程中单个玉米穗、玉米芯或玉米籽粒的受力和运动情况，或把玉米穗、玉米芯和玉米籽粒当成一个整体来分析，这与实际玉米脱粒过程中，玉米穗、玉米芯和玉米籽粒群体的相互作用和运动过程差别较大。

本发明专利提供一种分析玉米脱粒过程的新方法，即基于颗粒动力学——离散元法的玉米脱粒过程分析方法。从已经掌握的文献资料看，采用颗粒动力学方法，从细观角度对脱粒过程进行物理仿真尚未见报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种分析玉米脱粒过程的新方法，该方法的优点是：①在设计阶段通过修改脱粒机的CAD模型、玉米籽粒、玉米芯和玉米穗的分析模型、连接和接触作用的力学模型、离散元法计算参数，能分析不同品种玉米、不同工况、不同原理、不同结构和尺寸玉米脱粒机的性能，由此实现玉米脱粒机结构方案和尺寸参数的优化；②通过脱粒机的CAD模型，能进行玉米脱粒过程的动态仿真，由此分析玉米脱粒机的工作机理或工作过程，还可以发明新原理和新结构的玉米脱粒机，这是现有玉米脱粒机的研究和设计方法不能做到的。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现。

一种基于离散元法的玉米脱粒过程分析方法，包括以下步骤：

步骤一，建立全局坐标系x-y-z和第一局部坐标系X-Y-Z，在第一局部坐标系X-Y-Z生成玉米穗；

步骤二，采用球颗粒聚合方法建立玉米穗和玉米芯的离散元法分析模型，采用一个球即连接球模拟玉米籽粒果柄，且认为籽粒果柄与玉米籽粒是一个整体；

步骤三，以组成玉米籽粒或玉米芯某个球i的球心与另一个接触玉米籽粒或玉米芯组成球j的球心连线为X′轴，Y′轴和Z′轴符合右手旋转法则，由此建立第二局部坐标系X′-Y′-Z′；在第二局部坐标系X′-Y′-Z′下，计算玉米籽粒或玉米芯与另一个接触玉米籽粒或玉米芯间的接触作用斥力；

步骤四，把步骤三计算的每一个籽粒所有组成球的接触作用斥力，变换到第三局部坐标系X″-Y″-Z″下并求合力，根据该合力在X″-Y″-Z″下求每一个籽粒与其生长的玉米芯之间的连接力，如果连接力大于由试验测定的连接力，则该玉米籽粒即从玉米芯上脱离——脱粒；

步骤五，如果连接力小于由试验测定的连接力，则该玉米籽粒从玉米芯上不脱离，此时需在第三局部坐标系X″-Y″-Z″下，求解未脱落籽粒相对玉米芯的新位置并更新玉米粒的位置。

所述全局坐标系x-y-z是大地坐标系，所述第一局部坐标系X-Y-Z的原点与玉米穗的质量中心重合，X轴方向与玉米穗轴线重合，Y轴方向与某一籽粒中心重合，Z轴方向符合右手螺旋法则。

所述玉米芯组成单元之间的连接，也采用步骤二同样的连接球方法。

所述玉米籽粒脱粒或玉米芯破碎后，删除连接球。

当玉米籽粒或玉米芯与脱粒机接触时，其接触作用斥力，也采用步骤三同样的方法计算；当接触的脱粒部件表面为平面时，第二局部坐标系X′轴为i球的球心到该平面的垂线；当接触的脱粒部件表面为球面时，第二局部坐标系X′轴为i球的球心到该球面中心的连线；当接触的脱粒部件表面为柱面时，第二局部坐标系X′轴为i球的球心到该柱面轴线的垂线；当接触的脱粒部件表面为锥面时，第二局部坐标系X′轴为i球的球心到该锥面轴线的垂线。

计算籽粒的接触作用斥力采用接触力学模型；计算籽粒的连接作用力采用连接力学模型。

试验测定的玉米籽粒与其生长的玉米芯之间的连接力，应与计算玉米籽粒与其生长的玉米芯之间的连接力，在同一个坐标系下进行。

所述第三局部坐标系X″-Y″-Z″，其X″轴与第一局部坐标系X-Y-Z的X轴重合，Y″轴为被分析玉米籽粒质心与玉米芯中心的连线，Z″轴符合右手螺旋法则。

其步骤是在一个时步内的计算方法，下一时步的计算，重复上述步骤。