基于MBD与DEM耦合的仿真软件设计及实现
发布时间：2022-01-06 19:57
随着人类社会的进步,机械普遍应用于工业生产加工、农业施肥播种等活动。而一个设计优良的机械,通常有着良好的工作性能,有利于生产效率的提高、能源材料损耗的降低,由此可产生更大的经济效益。在农业生产领域,机械作业对象大多为颗粒类物料,如耕地土壤以及玉米、大豆等农作物种子。一些现实场景中,如拖拉机在松软路面行驶,自卸车卸货物（散粒物料类）,振动深松机疏松土壤,播种机在田间开沟播种等机械作业均与大规模颗粒群体发生了接触碰撞。此时孤立地讨论机械运动是脱离实际的,应结合与颗粒材料的接触作用分析其工作情况,进而评价机械性能。传统的农业机械设计是通过实物样机反复制造与现场试验实现的,这些复杂运动方式的机械部件与颗粒材料接触产生的影响无法准确地测量。由于计算机技术的发展和各种数值分析方法的提出、完善,现代机械产品的设计评估从原来的物理样机实验变为CAE驱动设计与虚拟实验。本文将用于模拟机械设备复杂运动行为的多刚体动力学方法,和颗粒动力学中研究不连续体行为的离散元法进行耦合,在课题组自主研制的三维离散元法分析软件AgriCAE架构基础上,设计实现了耦合仿真软件,直观展示机械部件的工作状态和颗粒物料的运动轨迹...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
三连杆机构示意图邰
第2章多刚体动力学模型与软件实现11方法。式(2.24)中if表示iy的一阶导数，其他处同理，用第一个显式公式预估i1y，然后用第二个隐式公式对i1y进行校正，可以看出该方法起步需要输入前四个时步的运动学信息，每求解一步需要预估和校正两个步骤，与单步法相比，提高了精度，减少了工作量。11231112(5559379)24(9195)24iiiiiiiiiiiihyyffffhyyffff……………(2.24)2.独立坐标选取本节的重点在于如何分块，从理论上来说，独立坐标y可以从系统中非受控的刚体笛卡尔坐标中任意选取，只要保证分块后的非独立雅可比矩阵是可逆的。有一点需要明确的是独立广义坐标的数目应该等于系统的自由度。同一机构可能有多个独立坐标集合都符合上述要求，只是在后续数值积分时的精度、稳定性上有细微的差异，而我们需要为计算机自动求解给出通用的选取方法。全主元高斯消元法是一种可行的办法，对雅可比矩阵q的行列作重新排列可得到分块的雅可比矩阵。初始时刻由系统约束方程的组集得到图2.3中s行n列的雅可比矩阵(sn)且行秩为s，矩阵的列编号和系统广义坐标是一一对应的，如第0列表示约束方程对1号刚体x坐标的偏导数，第1列表示约束方程对1号刚体y坐标的偏导数等。全主元法在每次循环找到矩阵第k行k列开始的右下子阵范围内绝对值最大的数，标记该数所在的行和列，然后将其交换至主元素的位置，记录由于换主列而造成的解的位置的变化，直到循环结束。如此变换后，左侧的s阶方阵非奇异，对应的s个坐标可作为非独立广义坐标，余下的(ns)列所对应的坐标可作为独立广义坐标。图2.3雅可比矩阵示意图
第2章多刚体动力学模型与软件实现122.3.2多刚体系统动力学求解器的实现根据上一小节的数值分析方法，编程实现了多刚体系统动力学求解器CMBD_Calculate计算类，其成员函数如图2.4所示，大致分为输入、预处理、数值积分、结果保存四个模块，并封装到MBS.dll动态链接库文件中，能够动态加载到课题组软件主程序。图2.4CMBD_Calculate类成员函数求解器的输入模块为MBSAttrib类，包括系统位形初值、刚体质量、外部载荷、铰链信息和计算参数等属性。通过SetMBDAttrib(MBSAttrib*p)参数传递函数对系统构型初始化，使用initMBDmem()函数为多刚体计算动态分配内存空间。预处理模块主要体现为模型数据的装配，动力学模型具有组集的特点，各种类型的约束都是程式化的，用于描述系统约束的几个要素（数组）贯穿整个计算过程，分别是位置约束方程左部equate[s]、雅可比矩阵jacobi[s][n]、速度约束方程右项velocity_b[s]、加速度约束方程右项accel[s]，使用build()函数进行系统约束方程的组集，用一个变量row标识以上数组中的行号，依次把相应的铰链参数代入约束方程从而对数组元素赋值或更新。接下来装配广义质量二维数组M[n][n]和广义外力数组F[n]。在t0时刻调用selIndCoordinates()函数全主元法分离独立坐标，雅可比矩阵分块成非独立坐标雅可比矩阵jacobiX[s][s]和独立坐标雅可比矩阵jacobiY[s][]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于离散元素法的岩土球磨机仿真与分析[J]. 孙鹏. 软件. 2019(08)
[2]虚拟样机技术在农业机械产品开发中的运用[J]. 李金风,孟凡凯,王涛. 山东工业技术. 2018(13)
[3]仿生四足机器人运动学与动力学仿真分析[J]. 宫赤坤,张吉祥,袁立鹏. 组合机床与自动化加工技术. 2017(09)
[4]基于正、逆动力学的移动悬架并联机械手动力学建模有效性研究[J]. 杨玉维,钟蜀津,李彬,赵新华. 高技术通讯. 2017(07)
[5]离散元法在农业工程领域的应用进展[J]. 贺一鸣,吴明亮,向伟,颜波,王加跃,包攀峰. 中国农学通报. 2017(20)
[6]农机部件数字化设计软件平台AgriDEM开发[J]. 付宏,王常瑞,靳聪,于建群. 农业工程学报. 2017(07)
[7]EDEM及其应用研究与最新进展[J]. 王雪,何立,周开发. 科学咨询（科技·管理）. 2016(03)
[8]基于离散元法的旋耕过程土壤运动行为分析[J]. 方会敏,姬长英,Farman Ali Chandio,郭俊,张庆怡,Chaudhry Arslan. 农业机械学报. 2016(03)
[9]机械与土壤相互作用的离散元仿真研究进展[J]. 李博,陈军,黄玉祥. 农机化研究. 2015(01)
[10]离散元法及其耦合算法的研究综述[J]. 徐爽,朱浮声,张俊. 力学与实践. 2013(01)
博士论文
[1]基于DEM-MBK耦合的摆杆筛筛分过程的仿真分析与试验研究[D]. 王扬.吉林大学 2018
硕士论文
[1]三维离散元法仿真软件AgriDEM求解器的改进研究[D]. 王常瑞.吉林大学 2018
[2]基于离散元法的振动压实过程仿真及其试验研究[D]. 王慧强.长安大学 2018
[3]基于DEM与MBK耦合的CAE软件改进研究[D]. 管秋月.吉林大学 2015
[4]复杂结构和运动方式机械部件的离散元法分析方法研究[D]. 徐静.吉林大学 2013
[5]四足仿生机械仿真研究以及动力学分析[D]. 叶松君.暨南大学 2008
[6]机构仿真软件的研究与开发[D]. 王炎欢.合肥工业大学 2006
[7]三维离散元法计算仿真软件开发研究[D]. 商慧.吉林大学 2006
[8]多体系统动力学建模及数值求解研究[D]. 伍平.四川大学 2003
本文编号：3573074
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
三连杆机构示意图邰
第2章多刚体动力学模型与软件实现11方法。式(2.24)中if表示iy的一阶导数，其他处同理，用第一个显式公式预估i1y，然后用第二个隐式公式对i1y进行校正，可以看出该方法起步需要输入前四个时步的运动学信息，每求解一步需要预估和校正两个步骤，与单步法相比，提高了精度，减少了工作量。11231112(5559379)24(9195)24iiiiiiiiiiiihyyffffhyyffff……………(2.24)2.独立坐标选取本节的重点在于如何分块，从理论上来说，独立坐标y可以从系统中非受控的刚体笛卡尔坐标中任意选取，只要保证分块后的非独立雅可比矩阵是可逆的。有一点需要明确的是独立广义坐标的数目应该等于系统的自由度。同一机构可能有多个独立坐标集合都符合上述要求，只是在后续数值积分时的精度、稳定性上有细微的差异，而我们需要为计算机自动求解给出通用的选取方法。全主元高斯消元法是一种可行的办法，对雅可比矩阵q的行列作重新排列可得到分块的雅可比矩阵。初始时刻由系统约束方程的组集得到图2.3中s行n列的雅可比矩阵(sn)且行秩为s，矩阵的列编号和系统广义坐标是一一对应的，如第0列表示约束方程对1号刚体x坐标的偏导数，第1列表示约束方程对1号刚体y坐标的偏导数等。全主元法在每次循环找到矩阵第k行k列开始的右下子阵范围内绝对值最大的数，标记该数所在的行和列，然后将其交换至主元素的位置，记录由于换主列而造成的解的位置的变化，直到循环结束。如此变换后，左侧的s阶方阵非奇异，对应的s个坐标可作为非独立广义坐标，余下的(ns)列所对应的坐标可作为独立广义坐标。图2.3雅可比矩阵示意图
第2章多刚体动力学模型与软件实现122.3.2多刚体系统动力学求解器的实现根据上一小节的数值分析方法，编程实现了多刚体系统动力学求解器CMBD_Calculate计算类，其成员函数如图2.4所示，大致分为输入、预处理、数值积分、结果保存四个模块，并封装到MBS.dll动态链接库文件中，能够动态加载到课题组软件主程序。图2.4CMBD_Calculate类成员函数求解器的输入模块为MBSAttrib类，包括系统位形初值、刚体质量、外部载荷、铰链信息和计算参数等属性。通过SetMBDAttrib(MBSAttrib*p)参数传递函数对系统构型初始化，使用initMBDmem()函数为多刚体计算动态分配内存空间。预处理模块主要体现为模型数据的装配，动力学模型具有组集的特点，各种类型的约束都是程式化的，用于描述系统约束的几个要素（数组）贯穿整个计算过程，分别是位置约束方程左部equate[s]、雅可比矩阵jacobi[s][n]、速度约束方程右项velocity_b[s]、加速度约束方程右项accel[s]，使用build()函数进行系统约束方程的组集，用一个变量row标识以上数组中的行号，依次把相应的铰链参数代入约束方程从而对数组元素赋值或更新。接下来装配广义质量二维数组M[n][n]和广义外力数组F[n]。在t0时刻调用selIndCoordinates()函数全主元法分离独立坐标，雅可比矩阵分块成非独立坐标雅可比矩阵jacobiX[s][s]和独立坐标雅可比矩阵jacobiY[s][]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于离散元素法的岩土球磨机仿真与分析[J]. 孙鹏. 软件. 2019(08)
[2]虚拟样机技术在农业机械产品开发中的运用[J]. 李金风,孟凡凯,王涛. 山东工业技术. 2018(13)
[3]仿生四足机器人运动学与动力学仿真分析[J]. 宫赤坤,张吉祥,袁立鹏. 组合机床与自动化加工技术. 2017(09)
[4]基于正、逆动力学的移动悬架并联机械手动力学建模有效性研究[J]. 杨玉维,钟蜀津,李彬,赵新华. 高技术通讯. 2017(07)
[5]离散元法在农业工程领域的应用进展[J]. 贺一鸣,吴明亮,向伟,颜波,王加跃,包攀峰. 中国农学通报. 2017(20)
[6]农机部件数字化设计软件平台AgriDEM开发[J]. 付宏,王常瑞,靳聪,于建群. 农业工程学报. 2017(07)
[7]EDEM及其应用研究与最新进展[J]. 王雪,何立,周开发. 科学咨询（科技·管理）. 2016(03)
[8]基于离散元法的旋耕过程土壤运动行为分析[J]. 方会敏,姬长英,Farman Ali Chandio,郭俊,张庆怡,Chaudhry Arslan. 农业机械学报. 2016(03)
[9]机械与土壤相互作用的离散元仿真研究进展[J]. 李博,陈军,黄玉祥. 农机化研究. 2015(01)
[10]离散元法及其耦合算法的研究综述[J]. 徐爽,朱浮声,张俊. 力学与实践. 2013(01)
博士论文
[1]基于DEM-MBK耦合的摆杆筛筛分过程的仿真分析与试验研究[D]. 王扬.吉林大学 2018
硕士论文
[1]三维离散元法仿真软件AgriDEM求解器的改进研究[D]. 王常瑞.吉林大学 2018
[2]基于离散元法的振动压实过程仿真及其试验研究[D]. 王慧强.长安大学 2018
[3]基于DEM与MBK耦合的CAE软件改进研究[D]. 管秋月.吉林大学 2015
[4]复杂结构和运动方式机械部件的离散元法分析方法研究[D]. 徐静.吉林大学 2013
[5]四足仿生机械仿真研究以及动力学分析[D]. 叶松君.暨南大学 2008
[6]机构仿真软件的研究与开发[D]. 王炎欢.合肥工业大学 2006
[7]三维离散元法计算仿真软件开发研究[D]. 商慧.吉林大学 2006
[8]多体系统动力学建模及数值求解研究[D]. 伍平.四川大学 2003
本文编号：3573074
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