[发明专利]一种建立模拟玉米果穗动力接触的有限元模型的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于模拟玉米果穗实际脱粒冲击的模型建立方法，具体的说是一种建立模拟玉米果穗动力接触的有限元模型的方法。

背景技术

玉米是我国主要粮食作物之一。玉米脱粒原理主要有冲击、揉搓、梳刷、碾压、挤搓等，其中冲击脱粒是目前国内玉米最常用脱粒方法，玉米籽粒脱粒破损率直接影响玉米的储存、种子生产等方面，因此，选择合适的脱粒工艺和脱粒装置可降低玉米籽粒的破碎率。

目前，国内外基于玉米果穗脱粒过程的研究主要有离散元法、试验法，如于亚军等采用离散元法提出的基于颗粒聚合体的玉米果穗分析模型建模方法（于亚军，周海玲，付宏等.基于颗粒聚合体的玉米果穗建模方法[J].农业工程学报，2012，28（8）：167~174），是将整个玉米芯分为若干球连接而成的玉米芯小块，每个小块上生长一定数量的玉米籽粒，每个小块采用与每个玉米籽粒对应的组成球相组合而成；而每个玉米籽粒采用一定数量的直径为籽粒厚度的单层球组合而成，籽粒上下和两侧边也采用球组合，籽粒内部用球填充，然后采用连接球模拟籽粒果柄，将籽粒与对应的玉米芯组成球连接。基于颗粒聚合体的玉米果穗分析模型建模方法从数学理论出发，通过自主研制的建模软件建立理想的果穗模型，将籽粒看做球组合的聚合体，玉米芯为多个通过球连接的小块组合而成。而在实际田间表现中，玉米果穗上除了两端最外缘籽粒外，果穗排列是每间隔两行排列相互错位搭接，即相邻两列穗行中的两横向籽粒侧面正对接触形成1-1对立接触，再与另外相邻两列穗行中的两层同样1-1接触的两横向籽粒侧面形成错位接触。该建模方法并不能准确表达田间实际的玉米果穗模型，基于该模型进行的实验分析难以为优化脱粒装置提供合适的理论依据。

发明内容

本发明的目的是提供一种建立模拟玉米果穗动力接触的有限元模型的方法，该模型可用于模拟玉米果穗在实际脱粒过程中的动力接触，为优化玉米果穗脱粒工艺和脱粒装置等研究提供理论依据。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案为，一种建立模拟玉米果穗动力接触的有限元模型的方法，包括以下步骤：

（1）、建立玉米果穗模型

a、选取若干玉米果穗，测量玉米芯直径和长度并分别取均值，根据直径均值作出玉米芯的端面圆，根据长度均值拉伸出玉米芯圆柱体模型，并根据选取玉米果穗的平均穗行数n，将玉米芯圆柱体模型的两端面对应均分为n等份扇形；

b、在步骤a中所取的玉米果穗上选取若干玉米籽粒，测量玉米籽粒的尺寸并取均值，根据均值作出玉米籽粒和玉米籽粒上的胚芽边界在水平面上的垂直投影，根据玉米籽粒的厚度均值拉伸出玉米籽粒模型；沿玉米籽粒模型的中心轴线标记胚芽上的若干点，测量出所取玉米籽粒的胚芽上与标记点位置相应处的厚度并取均值，根据该均值与玉米籽粒厚度均值的差值，在玉米籽粒模型上作出胚芽边界上的点与标记点的连结曲面，根据该连结曲面在建立的玉米籽粒模型的其中一个侧面上切除出胚芽曲面，从而建立具有胚芽的玉米籽粒实体模型；

c、在玉米籽粒实体模型上，玉米籽粒底部的尖端至胚芽底部的区域为玉米籽粒的果柄，测量果柄的几何特征参数，并根据果柄的几何特征参数在步骤a中建立的玉米芯圆柱体模型的圆周面上纵向均匀切除出n条用于放置果柄的槽体，每个槽体均位于一个划分出的扇形区域内，然后将步骤b建立的玉米籽粒实体模型通过其果柄一一装配到槽体中，使玉米籽粒胚芽处的端面与玉米芯圆柱体模型一端的端面配合；然后每间隔两列玉米籽粒，将相邻两列玉米籽粒沿玉米芯中心轴线方向移位玉米籽粒厚度均值的                                                ，建立玉米果穗模型；

（2）建立有限元模型

a、选取步骤（1）c建立的玉米果穗模型的一段，将选取段上玉米籽粒1对1接触的两行的缝隙标记为A缝，玉米籽粒1对2接触的两行的缝隙标记为B缝，并在其中一个缝隙的正上方建立用于冲击玉米果穗的呈楔形的冲头模型；

b、采用映射方式对步骤（2）a建立的冲头模型划分网格，将其划分为若干个六面体单元；采用扫掠方式对步骤（2）a选取的玉米果穗模型中的玉米芯划分网格，将其划分为若干个六面体单元；采用自由方式对步骤（2）a选取的玉米果穗模型中的玉米籽粒划分网格，将其划分为若干个四面体单元；通常情况下，可利用ANSYS/LS-DYNA的智能尺寸控制技术来控制网格的大小和疏密分布，也可进行人工设置网格的大小和疏密分布以及选择分网算法。