小麥?zhǔn)崭顧C虛擬樣機運動仿真研究
———基于離散元虛擬現(xiàn)實技術(shù)

范媛媛，米西峰

(焦作師范高等?？茖W(xué)校 計算機與信息工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

小麥?zhǔn)崭顧C虛擬樣機運動仿真研究
———基于離散元虛擬現(xiàn)實技術(shù)

范媛媛，米西峰

(焦作師范高等?？茖W(xué)校 計算機與信息工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

為了克服傳統(tǒng)小麥?zhǔn)崭顧C設(shè)計過程中反復(fù)試驗-制造的長周期與低效率的缺點，且達到降低機械設(shè)計成本的目的，提出了一種基于離散元虛擬技術(shù)的小麥?zhǔn)崭顧C虛擬樣機設(shè)計方法，實現(xiàn)了小麥?zhǔn)崭顧C的虛擬優(yōu)化設(shè)計。采用Windows平臺下VS2010集成了離散元仿真軟件，并使用OpenGL軟件仿真實現(xiàn)了脫粒過程的三維顯示，利用并行計算的方法對數(shù)據(jù)進行處理，最后通過保存三維輸出結(jié)果，對脫粒的性能進行了數(shù)據(jù)統(tǒng)計和計算。虛擬仿真測試表明：所提出的小麥植株建模方法和收割機虛擬樣機的性能仿真是可行的，通過顆粒捕捉仿真得到了麥粒的運動軌跡，并根據(jù)對脫粒的性能進行了統(tǒng)計，最終得到了小麥?zhǔn)崭顧C脫粒的損失率、破碎率和脫凈率，對現(xiàn)代化農(nóng)機的設(shè)計制造具有重要的現(xiàn)實意義。

小麥?zhǔn)崭顧C；虛擬現(xiàn)實；并行計算；OpenGL軟件；離散元

0 引言

隨著計算機仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機的性能得到了大幅度提升，在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在小麥?zhǔn)崭顧C的設(shè)計過程中，如果通過虛擬技術(shù)來仿真小麥的脫粒過程，可以克服傳統(tǒng)機械設(shè)計過程中反復(fù)試驗-制造的長周期與低效率缺點，從而達到降低機械設(shè)計成本的目的。利用計算機離散元虛擬仿真技術(shù)，發(fā)現(xiàn)小麥?zhǔn)崭顧C細(xì)節(jié)設(shè)計中存在的問題，然后對裝置的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，通過對不同結(jié)構(gòu)方案的比較，找出存在的問題，以提高小麥?zhǔn)崭顧C的設(shè)計質(zhì)量。這種方法既省時又省力，相對于傳統(tǒng)的設(shè)計方法，具有無可比擬的優(yōu)勢，可以為現(xiàn)代化農(nóng)機設(shè)計制造提供一種嶄新的方法。

1 小麥?zhǔn)崭顧C虛擬樣機設(shè)計

在小麥?zhǔn)崭顧C的傳統(tǒng)設(shè)計過程中，利用傳統(tǒng)物理樣機設(shè)計時，只有將真實的小麥?zhǔn)崭顧C樣機制造出來，才能夠發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的問題和缺陷。但是，樣機的試制需要較長的時間，導(dǎo)致設(shè)計成本也較高。傳統(tǒng)設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 小麥?zhǔn)崭顧C傳統(tǒng)設(shè)計流程

在樣機的試驗階段，如果發(fā)現(xiàn)問題，還需要對樣機進行重新設(shè)計和加工制造，會使周期和成本進一步加大，浪費了大量的人力和物力。

圖2為采用虛擬樣機設(shè)計方法對小麥?zhǔn)崭顧C進行優(yōu)化設(shè)計。該方法利用計算機虛擬仿真技術(shù)，發(fā)現(xiàn)小麥?zhǔn)崭顧C細(xì)節(jié)設(shè)計中存在的問題，然后對裝置的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計；通過對不同結(jié)構(gòu)方案的比較，找出存在的問題，以提高小麥?zhǔn)崭顧C的設(shè)計質(zhì)量，既省時又省力，相對于傳統(tǒng)設(shè)計方法具有無可比擬的優(yōu)勢。

圖3為小麥?zhǔn)崭顧C割臺的虛擬樣機設(shè)計示意圖。由圖3可以看出：采用虛擬樣機可以設(shè)計出和真實的試制樣機非常相似的模型。本次設(shè)計主要是在Windows平臺下的VS2010中進行的，該軟件采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法，可以實現(xiàn)界面的可視化和預(yù)覽功能。采用編程的方法將小麥脫粒仿真軟件集成到離散元軟件中，其總體框架如圖4所示。

圖2 小麥?zhǔn)崭顧C虛擬樣機設(shè)計流程

圖3 小麥?zhǔn)崭顧C割臺虛擬樣機

圖4 小麥?zhǔn)崭顧C虛擬樣機總體設(shè)計框架

小麥?zhǔn)崭顧C虛擬樣機設(shè)計的總體框架主要分為3部分，包括離散建模、仿真計算和結(jié)果處理等。使用Open GL軟件仿真實現(xiàn)了脫粒過程的三維顯示，最后通過保存三維輸出結(jié)果，對脫粒的性能進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和計算。

2 小麥離散元建模和力學(xué)虛擬仿真

利用小麥自身的結(jié)構(gòu)特征，構(gòu)建小麥的三維離散元模型。由小麥的植株的實體特征發(fā)現(xiàn)：在每個秸稈的鄰節(jié)之間，有一個凸出的部分將多個小麥秸稈節(jié)連接在一起，每個節(jié)的尺寸不相同。為了虛擬仿真方便，將小麥節(jié)間進行編號，根據(jù)當(dāng)?shù)匦←湹某叽缣卣?，在生成小麥?jié)間時，結(jié)合節(jié)間的長度L、節(jié)間球的最大和最小尺寸Rmax和Rmin、相鄰節(jié)間球的重合度C，以及節(jié)間的密度ρ進行離散元建模。設(shè)節(jié)間球的數(shù)量為n，則可以得到n的近似量為

(1)

利用該方法建立的離散元模型，其兩個相鄰接的小球半徑R1、R2的差值公式為

R1-R2=a-C

(2)

其中，α為一個常數(shù)，該值表示相鄰的鄰接球的半徑的差值。節(jié)間或相鄰節(jié)間球也是符合上述規(guī)律的，在進行質(zhì)量求解時，可以將節(jié)間看成是圓柱體來進行處理，于是節(jié)間的質(zhì)量公式為

(3)

(4)

其中，P為莖稈在外力的作用下產(chǎn)生的沿著該方向上的變形；YD為虛擬仿真體到地面的垂直距離；b為P到地面的距離；E為小麥秸稈的彈性模量；d為秸稈的內(nèi)徑；l為小麥的秸稈在地面以上的長度距離。將小麥的植株看作是空心的圓柱體，則

(5)

建立完成小麥植株的離散元模型后，需要通過力學(xué)分析來仿真模擬小麥?zhǔn)崭顧C的運動性能，其流程如圖5所示。

圖5 離散元力學(xué)并行虛擬計算流程

考慮到在實際仿真過程中小麥植株的顆數(shù)較多，因此采用并行計算的方法，將小麥植株離散成多個部分，將力學(xué)分析賦予給每個離散單元體。通過多線程的方法計算線程的受力，并將多線程的受力賦給小麥植株，每次計算后將臨時保存的力數(shù)據(jù)進行清空，從而完成多植株的離散元虛擬仿真。

3 小麥?zhǔn)崭顧C虛擬樣機運動仿真

小麥?zhǔn)崭顧C虛擬樣機的運動仿真平臺可以使用Windows平臺下的VS2010軟件，采用面向?qū)ο蟮姆椒ㄟM行開發(fā)，從而實現(xiàn)小麥?zhǔn)崭顧C虛擬樣機脫粒仿真和脫粒性能的統(tǒng)計。為了提高離散元虛擬仿真的計算速度，可以采用OpenMP把串行程序改成并行程序，由32位向64位進行拓展，最后通過編程的方式將小麥脫粒的仿真程序集成到離散元仿真軟件中。

圖6為本次小麥?zhǔn)崭顧C樣機運動虛擬仿真建立的離散元模型。通過虛擬仿真可以得到模型的三維動畫演示，將計算輸出的結(jié)果文件進行保存，最后利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計軟件對其性能進行分析。

根據(jù)三維仿真得到的數(shù)據(jù)結(jié)果可對單個的離散單元顆粒進行運動軌跡的捕捉。圖7為通過顆粒捕捉仿真得到的麥粒運動軌跡，由此軌跡可以實現(xiàn)麥粒最終脫落位置的標(biāo)記，根據(jù)脫落位置可以統(tǒng)計脫粒得到的個數(shù)及是否破碎，最終得到小麥?zhǔn)崭顧C脫粒的損失率，進而驗證小麥?zhǔn)崭顧C的性能指標(biāo)。

圖6 離散元虛擬仿真模型

圖7 麥粒運動軌跡捕捉

小麥?zhǔn)崭顧C性能指標(biāo)的分析主要包括小麥植株的顆粒損失率、顆粒破碎率和小麥植株的脫凈率，下面分別通過公式來說明性能分析的指標(biāo)。

1)脫凈率。小麥?zhǔn)崭顧C虛擬樣機的脫凈率表示在虛擬仿真過程中小麥顆粒脫落的數(shù)目和仿真小麥顆粒的總數(shù)目比值。脫凈率越高，表示小麥脫粒機的性能和效果越好。其計算公式為

(6)

2)破碎率。小麥?zhǔn)崭顧C虛擬樣機的破碎率為虛擬仿真過程中小麥顆粒破碎的數(shù)目和仿真小麥顆粒的總數(shù)目比值。破碎率越高，表示小麥脫粒機的性能和效果越差。其計算公式為

(7)

3)籽粒損失率。籽粒損失率為小麥顆?？倲?shù)去掉脫落小麥的顆粒個數(shù)最后與總的仿真小麥顆粒數(shù)目的比值。其計算公式為

(8)

根據(jù)這3項指標(biāo)的定量，對離散元仿真的三維模擬結(jié)果進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，然后對虛擬樣機進行優(yōu)化設(shè)計，最后再次統(tǒng)計性能數(shù)據(jù)，得到了如表1所示的性能測試結(jié)果。

表1 模型優(yōu)化前后虛擬樣機的性能數(shù)據(jù) %

由表1可以看出：優(yōu)化后的虛擬樣機性能數(shù)據(jù)要優(yōu)于優(yōu)化之前。這表明，采用離散單元方法對小麥?zhǔn)崭顧C虛擬樣機進行優(yōu)化設(shè)計的方法可行。

4 結(jié)論

針對小麥?zhǔn)崭顧C設(shè)計過程中存在的設(shè)計周期長和成本高的缺點，提出了一種基于離散元虛擬仿真技術(shù)的小麥?zhǔn)崭顧C設(shè)計優(yōu)化方法，并建立了小麥植株的離散元虛擬仿真模型，最后對小麥?zhǔn)崭顧C的性能進行了虛擬仿真計算。通過虛擬仿真計算得到了模型的三維動畫演示，將計算輸出的結(jié)果文件進行保存，利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計軟件對其性能進行了分析，捕捉到了單個麥粒的運動軌跡，并由大量麥粒的運動軌跡的統(tǒng)計得到了小麥?zhǔn)崭顧C的損失率、破碎率和脫凈率等性能指標(biāo)。最后，對優(yōu)化前后的小麥?zhǔn)崭顧C的性能指標(biāo)進行了對比，結(jié)果表明：采用離散單元方法對小麥?zhǔn)崭顧C虛擬樣機進行優(yōu)化設(shè)計的方法可行，能夠有效地提高收割機的脫凈率指標(biāo)，從而降低損失率和破碎率，提高小麥?zhǔn)崭顧C的設(shè)計效率。

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Motion Simulation of Wheat Harvester Virtual Prototype—Based on Reality Technology of Discrete Element Virtual

Fan Yuanyuan, Mi Xifeng

(School of Computer and Information Engineering, Jiaozuo Teachers College ,Jiaozuo 454000, China)

In order to overcome the disadvantages of long period and low efficiency shortcomings in traditional wheat harvester design process of repeated experiments - manufacture, save the cost of the mechanical design, it put forward a wheat harvester virtual prototype design of discrete element method based on virtual technology, the virtual design and optimization of wheat harvester. The use of Windows platform VS2010 integrated discrete element simulation software, and use the Open GL software simulation to achieve a three-dimensional display of threshing process by using parallel computing method, data processing, and finally through the preservation of the three-dimensional output, the threshing performance of data statistics and calculation. Through the simulation test shows that the performance simulation of the proposed modeling method and wheat harvester virtual prototype is feasible, the particle capture are simulated trajectories of wheat, and the track performance of threshing were collected, finally got the wheat threshing loss rate, broken rate and off the net rate of design of modern agricultural machinery manufacturing,which has important practical significance.

wheat harvester; virtual reality; parallel computing; Open GL software; discrete element

2016-12-11

河南省自然科學(xué)基金項目(2015GZC133)

范媛媛(1976-)，女，河南焦作人，副教授，碩士。

米西峰(1976-)，男，河南南陽人，副教授，碩士，(E-mail)mixifeng@163.com。

S225.3；TS112.2

A

1003-188X(2018)02-0024-05