CN1808444A - 基于cad模型的离散元法边界建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于CAD模型的离散元法边界建模方法，包括以下步骤：a)读取和识别以机械部件为边界的CAD模型中所包含的基本图形元素及其拓扑结构和特征参数；b)去除读取和识别基本图形元素中冗余图形；c)设置基本图形元素的运动属性参数和材料特性参数；d)基本图形元素的类型、特征参数、运动属性参数和材料特性参数保存到数据库中；e)由离散元法软件读取存储在数据库中的边界基本图形元素信息，并按离散元法对边界的要求建立每个基本图形元素的离散元法计算实例，再将这些实例存储，以供离散元法计算时使用。解决了现有离散元法不能满足复杂结构和运动方式机械部件的设计、离散元法性能分析、设计修改和再分析的要求等问题。

Description

基于CAD模型的离散元法边界建模方法

技术领域

本发明涉及采用离散元法分析散粒物料与机械部件(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方法，特别适合于采用CAD软件设计机械部件时，由机械部件的CAD模型(CAD设计图)直接建立其离散元法分析模型，然后采用离散元法软件分析评价机械部件工作性能时的情况。

背景技术

在工农业生产中，大量存在着散粒物料(如岩石、煤炭、土壤、泥沙、农产品和颗粒肥料等)的流动过程。如播种机播种时，始终存在着种子、肥料和土壤的流动；耕翻农田时，始终存在着土壤的流动；农产品收获、输送、分级、加工和包装等，也始终存在着相关散粒物料的流动。

散粒物料的流动除与本身力学性质有关外，还与相关机械部件的结构形式、尺寸参数和运动参数等有关。一个好的机械部件设计，应使散粒物料按照预想的程式流动，如播种时种子流动，减少流动过程中不必要的损伤，如播种时种子损伤，节省机械动力消耗，如开沟和耕翻土壤时牵引动力消耗，此时必须考虑机械部件与散粒物料的接触作用及其动力学问题。

散粒物料的性质介于固体与流体之间，虽然颗粒结构简单，却有复杂的力学特性。采用连续介质力学方法研究散粒物料与机械部件的接触作用，只能把散粒群体作为一个整体来考虑，无法分析散粒群体中每个颗粒的运动过程和颗粒间的接触作用，因而不能很好地解决该问题。目前进行有关机械部件的设计时，大都依靠经验或试验方法，既费时费力又得不到理想的设计效果，据估计仅由散粒物料输送所造成的相关设备利用损失就达40％，远末达到优化设计和节省能源的要求。

20世纪70年代，Cundall提出离散元法，其基本思想是把散粒群体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，以考虑散粒之间及散粒与边界间的接触作用和散粒体与边界的不同物理机械性质。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。由于其离散的特点，在分析高度复杂***时，无论是散粒体还是边界均不需作大的简化。当采用粘聚力或连结力学模型时，还可以分析散粒结块或整体材料的破坏过程(如粉碎和切断等)。正是由于诸多优点，使得离散元法已成为研究散粒群体动力学问题的一种通用方法，并在岩土工程与风沙流动，散粒物料的输送、混合、分级，颗粒的结块与碰撞，土壤与机械的相互作用，化工过程装备和矿山装备等研究领域得到广泛应用。

在采用离散元法分析散粒物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。但到目前为止，有关离散元法的研究大都集中在散体颗粒的几何模型和接触力学模型等方面，对于边界建模的讨论还较少。而已报道的离散元法分析软件，虽然都带有边界建模模块，但大多采用特定函数和命令流的方法，还没有把边界设计与其离散元法性能分析结合起来，因而不能满足复杂结构和运动方式机械部件的设计、离散元法性能分析、设计修改和再分析的要求。而直接由边界的CAD模型建立其离散元法分析模型的方法尚未见报道。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述的现有离散元法没有把边界设计与其离散元法性能分析结合起来，而不能满足复杂结构和运动方式机械部件的设计、离散元法性能分析、设计修改和再分析的要求等问题，提供一种基于CAD模型的离散元法边界建模方法。

本发明的上述目的是这样实现的，结合附图说明如下。

一种由以机械部件为边界的CAD模型建立其离散元法分析模型的方法，该方法包括以下5个步骤：

a)读取和识别以机械部件为边界的CAD模型中所包含的基本图形元素及其拓扑结构和特征参数；

b)去除读取和识别基本图形元素中冗余图形；

c)设置基本图形元素的运动属性参数和材料特性参数；

d)基本图形元素的类型、特征参数、运动属性参数和材料特性参数保存到数据库中；

e)由离散元法软件读取存储在数据库中的边界基本图形元素信息，包括基本图形元素的类型和特征参数、基本图形元素运动属性参数和基本图形元素材料属性参数，并按离散元法对边界的要求建立每个基本图形元素的离散元法计算实例，再将这些实例存储，以供离散元法计算时使用。

读取的基本图形元素为直形段、圆和圆弧段、椭圆和椭圆弧段或平面、球面、椭球面、柱面和锥面等；

具有相同运动规律、运动参数和材料特性的基本图形元素，设置相同的运动属性和材料特性参数值；

基本图形元素的几何信息(基本图形元素类型和特征参数)、运动信息(基本图形元素运动属性参数)和材料信息(基本图形元素材料特性参数)存储到数据库中；

所述的基于CAD模型的离散元法边界建模方法，包括引起计算机执行以下方法的执令的计算机可读介质，该方法包括：

a)读取和识别边界CAD模型中所包含的基本图形元素及其拓扑结构和特征参数；

b)去除读取和识别基本图形元素中冗余图形；

c)设置基本图形元素的运动属性参数和材料特性参数；

d)基本图形元素的类型、特征参数、运动属性参数和材料特性参数保存到数据库中；

e)由离散元法软件读取存储在数据库中的边界基本图形元素信息，包括基本图形元素的几何信息(基本图形元素类型和特征参数)、运动信息(基本图形元素运动属性参数)和材料信息(基本图形元素材料属性参数)，并按离散元法对边界的要求建立每个基本图形元素的离散元法计算实例，再将这些实例存储，以供离散元法计算时使用。

一种计算机可读介质，读取的基本图形元素为直形段、圆和圆弧段、椭圆和椭圆弧段或平面、球面、椭球面、柱面和锥面等；

一种计算机可读介质，具有相同运动规律、运动参数和材料特性的基本图形元素，设置相同的运动属性和材料特性参数值；

一种计算机可读介质，基本图形元素的几何信息(基本图形元素类型和特征参数)、运动信息(基本图形元素运动属性参数)和材料信息(基本图形元素材料特性参数)存储到数据库中；

一种计算机可读介质，读取和识别基本图形元素、去除基本图形元素中冗余图形和设置基本图形元素的运动属性参数及材料特性参数，是通过人机交互方式实现的。

该方法的特点是：①能够由机械部件的CAD模型直接生成其离散元法分析模型，并在此基础上还可实现CAD软件与离散元法性能分析软件的集成，从而把与散粒物料接触作用的机械部件CAD设计与其离散元法性能分析有机结合；②能在设计阶段通过修改机械部件的CAD模型，对不同结构和尺寸的机械部件进行性能分析和评价，如开沟器的工作阻力、磨损状况分析评价，开沟器开沟的深度、宽度和土壤流动情况分析评价，播种时的单粒率、空穴率和碎种率分析评价等，以实现机械部件结构方案和尺寸参数的优化或根据设计要求直接产生设计决策；③能通过机械部件的CAD模型进行机械部件工作过程的动态仿真，由此分析其工作机理并发明新原理的机械部件，这是现有设计方法和设计技术无法实现的。

附图说明

图1组合内窝孔精密排种的CAD模型(主视图)；

图2组合内窝孔精密排种器的离散元法分析模型；

图3(a)改变CAD模型中排种轮直径时(直径为158mm时)组合内窝孔精密排种器的工作过程仿真；

图3(b)改变CAD模型中排种轮直径时(直径为218mm时)组合内窝孔精密排种器的工作过程仿真；

图4(a)改变CAD模型中充填孔直径(直径为14mm)时组合内窝孔精密排种器的工作过程仿真；

图4(b)改变CAD模型中充填孔直径(直径为24mm)时时组合内窝孔精密排种器的工作过程仿真；

图5(a)改变散粒物料(椭圆颗粒种子)几何模型时组合内窝孔精密排种器的工作过程仿真；

图5(b)改变散粒物料(圆颗粒种子)几何模型时组合内窝孔精密排种器的工作过程仿真；

图6(a)改变离散元法计算参数(排种轮角速度ω，ω＝π rad/s时)时组合内窝孔精密排种器的工作过程仿真；

图6(b)改变离散元法计算参数(排种轮角速度ω，ω＝2π rad/s)时组合内窝孔精密排种器的工作过程仿真；

图7(a)改变CAD模型时另一种型孔轮式排种器的工作过程仿真；

图7(b)改变CAD模型时第二种型孔轮式排种器的工作过程仿真；

图8一种推土板的工作过程仿真；

图9一种推土铲的工作过程仿真；

图10组合内窝孔精密排种器工作过程实验；

图11组合内窝孔精密排种器工作过程仿真；

图12CAD模型的离散元法边界建模方法和离散元法的计算过程框图；

图13一种与散粒物料接触作用的机械部件的集成分析设计软件结构和流程图。

具体实施方式

下面结合附图所示实施例进一步说明本发明具体内容。

一般来说，机械部件的CAD模型(CAD设计图)是比较复杂的，但它们都是由一些基本图形元素(以下简称基本图形元素)组成的，如直线段、圆弧、椭圆弧等(二维CAD模型)或平面、球面、椭球面、柱面和锥面等(三维CAD模型)，作为一种通用的建模方法，以基本图形元素为基础建立模型是可行的方法。本发明提出的由CAD模型建立边界离散元法分析模型的方法具体步骤为：①读取和识别边界(机械部件)CAD模型中所包含的基本图形元素及其拓扑结构和特征参数；②去除基本图形元素中冗余图形元素；③设置基本图形元素的运动属性参数和材料特性参数；④基本图形元素的类型、特征参数、运动属性参数和材料特性参数存储到数据库中；⑤由离散元法软件读取存储在数据库中的基本图形元素信息，包括几何信息(基本图形元素类型和特征参数)、运动信息(基本图形元素运动属性参数)和材料信息(基本图形元素材料特性参数)，并建立每个基本图形元素的离散元法计算实例，再将每个计算实例存储，以供离散元法计算时使用，由此即建立了包括边界(机械部件)几何模型、运动学模型和材料特性的边界离散元法分析模型。

基本图形元素读取是识别边界CAD模型中包含哪些基本图形元素及类型，并提取特征参数，如直线段的起始点和终止点；圆弧的中心、半径、起止角；球面的中心、半径、起止位置等。

去除基本图形元素中的冗余图形是去除某些基本图形元素的缺失部分，如一个平面上的圆孔、一个球面或一个锥面上的矩形窗口等。

设置运动属性是将不同运动方式的边界(零部件)基本图形元素给定不同的运动特征值加以区别，以在离散元法计算和计算结果仿真重现时采用不同的处理方式，如平动和转动，往复运动和周期性变速运动等。为了在离散元法计算时考虑不同材料边界的不同物理机械性质，采用了添加材料特性参数的方法，如刚性和柔软边界、粗糙和光滑边界等具有不同的材料特性参数。这2个功能是通过人机交互方式进行的，用户在CAD模型中选择一个或多个基本图形元素，通过添加表示不同运动方式和不同材料特性的参数，以此实现基本图形元素的几何信息、运动信息和材料信息的绑定。

用户在对CAD设计图进行上述处理后，还需将处理后的基本图形元素类型、特征参数、运动属性参数及材料特性参数保存到数据库中，以便在离散元法分析计算时读取该数据。

离散元法分析计算时，由离散元法软件读取存储在数据库中的边界基本图形元素信息，包括基本图形元素的几何信息(基本图形元素类型和特征参数)、运动信息(基本图形元素运动属性参数)和材料信息(基本图形元素材料特性参数)，并按离散元法对边界的要求建立每个基本图形元素的离散元法计算实例，再将这些实例存储，以供离散元法计算时使用。当用户设计或选取了一个CAD模型并经过上述处理后，离散元法软件即可自动到数据库中取出相应的基本图形元素及参数，每取出一个基本图形元素便根据其类型及参数创建一个离散元法计算实例，然后再将这个实例存储，以供离散元法计算时使用，这样即建立了包括边界几何模型、运动学模型和材料特性的边界离散元法分析模型。

离散元法的计算过程为：根据读取的边界基本图形元素几何信息、运动信息和材料信息确定某一瞬时边界基本图形元素在坐标系中的位置，再确定此时基本图形元素与散体颗粒的接触状况并求解接触点和计算接触力，再由牛顿第二定律和数值积分方法求出该瞬时每个散体颗粒的运动速度和位移，对于柔软边界还需计算边界的变形。在下一瞬时，基本图形元素根据给定的运动规律运动到一个新位置，再重新确定基本图形元素在坐标系中的位置，然后再确定基本图形元素与该瞬时散体颗粒的接触状况并求解接触点和计算接触力，再由牛顿第二定律和数值积分方法重新求出该瞬时每个散体颗粒的运动速度和位移，如此重复即完成了散粒物料与机械部件接触作用的离散元法分析计算。

由上述可以看出，采用基于CAD模型建立机械部件的离散元法分析模型，在离散元法计算时，机械部件基本图形元素与散体颗粒一样处理，不同点仅在于：机械部件基本图形元素与散体颗粒的形状不同，而且基本图形元素是按给定运动规律运动。

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指行所述方法的指令，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。

在对AutoCAD2000软件进行二次开发的基础上，利用Object ARX2000为AutoCAD添加的基本图形元素读取、去除基本图形元素中冗余图形、设置属特性参数、存储等计算机可执行的命令，从而实现了基本图形元素及拓扑结构的读取和识别、去除基本图形元素中冗余图形、设置基本图形元素属特性参数等，其中去除基本图形元素中冗余图形是采用求基本图形元素交点的方法，处理后的基本图形元素利用ADO，ODBC技术逐一存储到Access数据库中，离散元法计算时到数据库中读取基本图形元素数据并创建每个基本图形元素的离散元法计算实例，然后再将这些实例指针存入数组中，以供离散元法计算时使用，由此即实现了由机械部件的CAD模型建立其离散元法分析模型，而且在此基础上还实现了AutoCAD软件与自主研制的离散元法性能分析软件的集成，从而开发出一种与散粒物料接触作用的机械部件的集成分析设计软件。

图1为一种内充式精密排种器——组合内窝孔精密排种器的CAD模型，图2为使用该集成分析设计软件由CAD模型建立的该排种器离散元法分析模型，图3、图4、图5和图6分别为使用该软件通过修改CAD模型中参数、散粒物料(种子)几何模型和离散元法计算参数，得到的该排种器的离散元法性能分析和工作过程仿真，图中圆形或椭圆形代表种子颗粒。图7为使用该软件通过修改CAD模型得到的另外二种型孔轮式排种器的离散元法性能分析和工作过程仿真，图8和图9为改变CAD模型和接触力学模型后，一种推土板和一种推土铲的离散元法性能分析和工作过程仿真，图中圆形代表土壤颗粒。图10为由KodakPS-220高速视频摄像***拍摄的与图11相同工作条件下，组合内窝孔精密排种器的实际工作状况，比较图10和图11可知，组合内窝孔精密排种器内种子的整体运动趋势比较近似，由此证明了该方法和软件的可行性及优点。

虽然本发明可以有各种变形和修改，但是其特定的实施例在附图和伴随的说明中是通过例子的方式表示的。然而应当理解，附图和说明并不是限制本发明为所述特定的实施例。本公开是要覆盖所有属于所附权利要求定义的本发明的精神和范围的变形、等价物和改型。

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 (9)

1、一种基于CAD模型的离散元法边界建模方法，其特征在于该方法包括以下5个步骤：

a)读取和识别以机械部件为边界的CAD模型中所包含的基本图形元素及其拓扑结构和特征参数；

b)去除读取和识别基本图形元素中冗余图形；

c)设置基本图形元素的运动属性参数和材料特性参数；

d)基本图形元素的类型、特征参数、运动属性参数和材料特性参数保存到数据库中；

e)由离散元法软件读取存储在数据库中的边界基本图形元素信息，包括基本图形元素的类型和特征参数、基本图形元素运动属性参数和基本图形元素材料属性参数，并按离散元法对边界的要求建立每个基本图形元素的离散元法计算实例，再将这些实例存储，以供离散元法计算时使用。

2、根据权力要求1所述的基于CAD模型的离散元法边界建模方法，其特征在于读取的基本图形元素为直形段、圆和圆弧段、椭圆和椭圆弧段或平面、球面、椭球面、柱面和锥面。

3、根据权力要求1所述的基于CAD模型的离散元法边界建模方法，其特征在于具有相同运动规律、运动参数和材料特性的基本图形元素，设置相同的运动属性和材料特性参数值。

4、根据权力要求1所述的基于CAD模型的离散元法边界建模方法，其特征在于基本图形元素的基本图形元素类型和特征参数)、运动信息(基本图形元素运动属性参数)和材料信息(基本图形元素材料特性参数)存储到数据库中。

5、根据权力要求1所述的基于CAD模型的离散元法边界建模方法，其特征在于包括引起计算机执行以下方法的执令的计算机可读介质，该方法包括：

a)读取和识别边界CAD模型中所包含的基本图形元素及其拓扑结构和特征参数；

b)去除读取和识别基本图形元素中冗余图形；

c)设置基本图形元素的运动属性参数和材料特性参数；

d)基本图形元素的类型、特征参数、运动属性参数和材料特性参数保存到数据库中；

e)由离散元法软件读取存储在数据库中的边界基本图形元素信息，包括基本图形元素的几何信息(基本图形元素类型和特征参数)、运动信息(基本图形元素运动属性参数)和材料信息(基本图形元素材料属性参数)，并按离散元法对边界的要求建立每个基本图形元素的离散元法计算实例，再将这些实例存储，以供离散元法计算时使用。

6、根据权力要求5所述的的基于CAD模型的离散元法边界建模方法，其特征在于所说的计算机可读介质，读取的基本图形元素为直形段、圆和圆弧段、椭圆和椭圆弧段或平面、球面、椭球面、柱面和锥面。

7、根据权力要求5的基于CAD模型的离散元法边界建模方法，其特征在于所说的计算机可读介质，具有相同运动规律、运动参数和材料特性的基本图形元素，设置相同的运动属性和材料特性参数值。

8、根据权力要求5的基于CAD模型的离散元法边界建模方法，其特征在于所述的计算机可读介质，基本图形元素的几何信息(基本图形元素类型和特征参数)、运动信息(基本图形元素运动属性参数)和材料信息(基本图形元素材料特性参数)存储到数据库中。

9、根据权力要求5的基于CAD模型的离散元法边界建模方法，其特征在于所说计算机可读介质，读取和识别基本图形元素、去除基本图形元素中冗余图形和设置基本图形元素的运动属性参数及材料特性参数，是通过人机交互方式实现的。

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