基于多重网格的大长径比颗粒仿真计算研究

论文摘要

微粒或者颗粒状物质被广泛应用于农业生产、矿石、运输、制药等方面,因此对颗粒物质的运动研究就至关重要。随着科技的不断发展,对该领域的课题研究不断深化,但由于颗粒具有流动性和离散性不宜采用传统连续介质力学方法进行研究,因此还是存在许多未能解决的问题。离散元法是一种数值模拟方法,主要用于计算在特定条件下大量颗粒的计算,被认为是颗粒仿真研究的重要工具。该方法通过对物理样机进行建模并模拟从而优化结构,减少开发周期。接触计算是离散元法中最耗时的部分,目前常用网格法、邻居列表法等搜索方法确定待检测颗粒邻居元以提高计算效率。但农业生产中常常存在许多如小麦玉米等形状、尺寸差异较大的颗粒,在采用离散元法分析时,由于邻居搜索时的网格尺寸较大,导致邻居元颗粒数量增加,致使接触计算的复杂度大幅增长。经过课题组多年研究,现已对基于离散元法的仿真计算有了较为深入的研究,并开发出集设计、计算、仿真演示、性能分析于一体的仿真计算软件。本文在课题组现有的离散元计算仿真软件Agri DEM上,对生产中大长径比类型颗粒接触计算时存在的问题进行深入研究并加入了基于多重网格的大长径比颗粒的邻居搜索算法。同时增添了力阈值边界、弹性边界两种边界类型,为复杂机械的设计和仿真分析增加了新选择。本文首先对多重网格法进行分析研究,在计算时首先将整个计算域划分为多重具有不同尺寸的网格,在仿真计算时可以根据待检测颗粒的中心坐标与尺寸将其映射到与之对应的层次网格中,然后通过其所在的网格编号与网格层号确定邻居元。接下来进行同层搜索与跨层搜索,将邻居元数据与待检测颗粒进行接触判断确定颗粒间的接触情况,实现多重网格法的设计研究。其次,本文参照课题组中非球颗粒的设计,通过多球组合的方式对大长径比颗粒进行建模。同时将大长径比颗粒虚拟离散为长径比较小的颗粒,然后将离散后的颗粒与其他颗粒一起混合采用多重网格法进行邻居搜索,为离散元法中大长径比颗粒的接触计算提供了一种新思路。接下来本文设计了力阈值边界和弹性边界模块。当颗粒与机械部件接触时,边界会因给定阈值、误差系数、边界种类、边界材料等因素产生静止、平动、转动、形变等不同变化。力阈值边界与弹性边界的研究为复杂的边界(机械部件)建模提供更多选择。最后对上述内容进行设计并对测试结果进行分析。测试时通过对不同尺寸的颗粒、不同网格层数与网格尺寸的选择来验证功能,同时采用收获后的小麦植株颗粒来进行测试,验证程序的普遍性。测试结果表明上述功能的准确性同时也验证了软件体系结构的稳定性,测试达到仿真预定的要求。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 课题的研究背景及意义
•   1.2 国内外研究现状及存在的问题
•   1.3 本文主要工作
• 第2章 基于多重网格的离散元法接触计算方法
•   2.1 引言
•   2.2 基于单重网格的接触计算方法
•   2.3 基于多重网格的接触计算方法
•     2.3.1 多重网格的基本思想
•     2.3.2 多重网格类CGrid设计
•     2.3.3 多重网格的划分
•     2.3.4 多重网格的参数设置
•     2.3.5 颗粒与边界向网格映射
•     2.3.6 邻居搜索方法
•     2.3.7 接触判断方法
•   2.4 多重网格法的基本流程
•   2.5 本章小结
• 第3章 颗粒接触检测方法研究
•   3.1 引言
•   3.2 大长径比颗粒建模
•     3.2.1 问题描述
•     3.2.2 坐标系建立
•     3.2.3 颗粒建模方法
•   3.3 颗粒数据库设计
•   3.4 大长径比颗粒虚拟离散
•   3.5 基于多重网格的大长径比颗粒接触计算方法
•   3.6 颗粒模型的OpenGL显示方法
•   3.7 本章小结
• 第4章 力阈值边界与弹性边界模块设计与实现
•   4.1 引言
•   4.2 力阈值边界模块计算
•     4.2.1 力阈值边界简介
•     4.2.2 力阈值边界类设计
•     4.2.3 力阈值模块设计与实现
•   4.3 弹性边界模块计算
•     4.3.1 弹性边界简介
•     4.3.2 弹性边界类设计
•     4.3.3 弹性边界运动公式
•     4.3.4 弹性边界模块设计与实现
•   4.4 本章小结
• 第5章 软件测试
•   5.1 引言
•   5.2 三维离散元法计算仿真软件测试策略
•   5.3 多重网格法测试
•     5.3.1 硬件设置
•     5.3.2 双分散系统测试结果与性能分析
•     5.3.3 多分散系统测试结果与性能分析
•   5.4 基于多重网格的大长径比颗粒测试
•     5.4.1 基本参数设置
•     5.4.2 测试结果与性能分析
•   5.5 力阈值边界模块测试
•     5.5.1 力控制边界测试结果
•     5.5.2 扭矩控制边界测试结果
•   5.6 弹性边界模块测试
•   5.7 本章小结
• 第6章 总结与展望
•   6.1 本文工作总结
•   6.2 后续研究展望
• 参考文献
• 作者简介及在学期间所取得的科研成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 孙冰

导师: 刘元宁

关键词: 多重网格,大长径比,离散元法,力阈值边界,弹性边界

来源: 吉林大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 力学,计算机软件及计算机应用

单位: 吉林大学

分类号: O33;TP391.9

总页数: 72

文件大小: 4893K

下载量: 27