顆粒動(dòng)力學(xué)常用方法及其特點(diǎn)(20分)？答：顆粒動(dòng)力學(xué)常用方法一般分為兩類，即連續(xù)力學(xué)方法和離散單元方法。1連續(xù)力學(xué)法是一種宏觀建模的方法，用于分析可被看成是連續(xù)介質(zhì)的散粒物料的運(yùn)動(dòng)，“顆粒流”、“顆粒氣團(tuán)”(由相互作用的顆粒結(jié)成的連續(xù)體)、粘彈可塑性的土壤等。該方法把連續(xù)力學(xué)(如流體力學(xué))粒之間時(shí)而接觸時(shí)而又分別的不連續(xù)性，不能很好地解決顆粒及顆粒間簡(jiǎn)單多變的接觸問(wèn)題。2離散元方法(DEM)的思想源于較早的分子動(dòng)力學(xué)，是爭(zhēng)論不連續(xù)體力學(xué)行為的一種數(shù)值方法。其根本思想是把散粒群體簡(jiǎn)化成具有肯定外形和質(zhì)量顆粒的集合，賜予接觸顆粒間及顆粒與接觸邊界(機(jī)械部件)其特點(diǎn)是在分析高度簡(jiǎn)單的系統(tǒng)時(shí)，無(wú)論是顆粒還是邊界均不需作大的簡(jiǎn)化；當(dāng)賜予接觸顆粒間不同的接觸模型時(shí)，還可以分析顆粒結(jié)塊、顆粒群聚合體的破壞過(guò)程、多相流淌甚至可以包括化學(xué)反響和傳熱等問(wèn)題。離散元法的顆粒建模方法及其特點(diǎn)(20分)？答：離散元法的顆粒建模方法有兩種：1超二次方程80%以上的顆粒外形都可以用超二次方程的模型進(jìn)展簡(jiǎn)化模擬，因此超二次方程方法使用范圍比較廣泛。2組合顆粒模型這種方法建模比較直觀，通過(guò)不同外形和大小的單元體可以組合出所需的各種顆粒模型。離散元法的邊界建模方法及其特點(diǎn)(20分)？答：到目前為止，離散元法的邊界建模方法主要有以下幾種：1顆粒積存方法開(kāi)銷太大尤其是三維的狀況。2函數(shù)建模方法在離散元中，邊界可以用離散的或連續(xù)的幾何方程來(lái)表示。對(duì)于料倉(cāng)和漏斗中顆粒流Williams等使用了基于二維的超曲面的更簡(jiǎn)單圖形，來(lái)建立邊界的離散元法分析模型，此時(shí)邊界輪廓需要被分解成線段用于接觸探測(cè)。使用一樣的方法已經(jīng)被擴(kuò)展到三維，如使用球面、圓筒面或平面元素來(lái)表示邊界。Walton等使用了這個(gè)技術(shù)，仿真球形無(wú)彈性顆粒流通過(guò)規(guī)章排列的圓筒桿。3有限壁方法Kremmer等提出一種有限壁的方法，用以建立三維運(yùn)動(dòng)邊界的離散元法分析模型。算法使用三角平面壁元素組成的離散三角網(wǎng)近似靠近有限面。每個(gè)壁元素用一些參數(shù)定義，如位置、方向和曲半徑等，這些參數(shù)是壁和顆粒接觸判定的根底。這種方法也可以用于建模簡(jiǎn)單的邊界模型。有限壁的方法計(jì)算效率高，表示邊界的幾何外表格外敏捷，可直接采從而更逼真的模擬系統(tǒng)中的顆粒運(yùn)動(dòng)。4CAD模型的建模方法這些外表又由一些根本圖形元素(以下簡(jiǎn)稱圖元)(二維CAD模型)或平面、球面、橢球面、柱面和錐面等(三維CAD模型)，作為一種通用的建模方法，通過(guò)讀取邊界CAD模型中與散粒物料接觸作用的圖元，來(lái)建立邊界的離散元法分析模型，是一種可行和通用的方法。離散元法常用接觸作用的力學(xué)模型及其應(yīng)用(20分)？答：離散元法常用的接觸作用的力學(xué)模型有以下幾種：1線性粘彈性接觸力學(xué)模型法向接觸力學(xué)模型，常用的線性粘彈性模型為Fn

kn

cvn nn為接觸兩體間的法向作用力；n為接觸的法向剛度系數(shù)，n合量；Cn為法向粘性阻尼系數(shù)，Vn為兩體接觸處的法向相對(duì)速度(斥力)。由于切向力的大小與加載歷史有關(guān)，因而通常切向接觸力的計(jì)算都承受增量形式，其線性粘彈性力學(xué)模型為F(t)Fs s

(tt)kvs s

tcvs sVs為接觸處的切向相對(duì)速度；Cs為切向粘性阻尼系數(shù)。2非線性粘彈性力學(xué)模型線性粘彈性模型雖然得到廣泛應(yīng)用，但實(shí)際上顆粒相互接觸時(shí)，法向作用力都是非線3232FR4R4

kn

cv1E1E12 121 2E E12k E

，1

1 1 ，3n R R R31 2R、R 分別為接觸兩體接觸處的曲率半徑E、E 分別為接觸兩體的彈性模量 分別1 2 1 2 1 2為接觸兩體的泊松比〔斥力。3彈塑性接觸力學(xué)模型粘性阻尼力并非真正代表一種能量耗散機(jī)制，而只是使計(jì)算盡快穩(wěn)定的方法，因而cnee不僅與材料特性有關(guān)，還與接觸外表cn也帶來(lái)難度；第三，當(dāng)法向作用力較大e又較小，依據(jù)粘彈性模型計(jì)算的法向力已有較大誤差。為此，Mishra、WaltonVu-Quoc等又分別提出了Walton提出的半鎖彈簧(又稱雙線性)模型為k 加載時(shí)F 1 n k2

0

卸載時(shí)k1

δδ02k2

分別為接觸兩體的法向疊合量和剩余法向疊合量，kke1 24

k1 。2+

時(shí)，法向接觸力由線性粘彈性模型F

k

cv1 2 n n n n nD在R1+R2≤D≤(1+Cad)(R1+R2)間時(shí)，法向接觸力〔拉力〕為Fkn ad5

ad

)(R1

R)D2S(=s1+s2)0≤S≤(1+0.5)V13

時(shí)法向接觸力〔拉力〕為FFFn c

，式中F(12c 2

) F6vR*2 ni1i

S

為顆粒半徑(m)；S為顆粒間nηPa為流體外表張力為兩顆粒間液體體積可由下n式求得：V2{2

2

cos

3cos31

21

2 1

3 1 1 2 r3cossin

2cos1cos2}2的接觸3

型，如考慮顆粒具有外表粘附作用的粘聚力模型；考慮顆粒與氣體耦合時(shí)的氣固耦合模型；考慮整體物料局部破壞的連結(jié)模型等。以上幾種力學(xué)模型的應(yīng)用：在承受離散元法分析計(jì)算時(shí)，應(yīng)選用哪一種力學(xué)模型，一般來(lái)說(shuō)與分析對(duì)象和分析目的有關(guān)。Klinker等認(rèn)為粘彈性模型更適合于散粒農(nóng)業(yè)物料的分析計(jì)算，其中線性粘彈性模型已應(yīng)用于金屬棒插入土壤時(shí)土壤阻力及變樣子況、糙米的篩分過(guò)程和筒倉(cāng)中大豆的進(jìn)出料過(guò)程的分析；半鎖彈簧模型已應(yīng)用于大豆在斜槽中流淌過(guò)程型更適宜。具體步驟等(20分)？答：以承受離散元法對(duì)芯鏵式和船形鏟式開(kāi)溝器工作阻力的仿真分析為例來(lái)說(shuō)明。芯鏵式和船形鏟式開(kāi)溝器爭(zhēng)論現(xiàn)狀和存在問(wèn)題1芯鏵式開(kāi)溝器芯鏵式開(kāi)溝器是在我國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)具耙芯子的根底上進(jìn)展起來(lái)的，適用于壟作播種，它工作時(shí)，其前棱和兩側(cè)對(duì)稱的曲面使土壤沿曲面上升，并將殘茬、表層干土塊、雜草向兩側(cè)拋出翻到，使下層濕土上翻，開(kāi)溝阻力也較大，不利于高速作業(yè)。其優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)潔，入180mm溝底平坦、苗幅寬，可防止干濕土混雜，利于保墑出苗。主要用于東北壟作地區(qū)寬苗幅，中耕作物播種的中耕通用機(jī)上。2船形鏟式開(kāi)溝器6035壓成溝形。溝形平坦，V型溝壁整齊。依據(jù)需要可選用單行、雙行和三行開(kāi)溝鏟，每個(gè)開(kāi)溝器可開(kāi)出一條、兩條或者三條種溝，可以到達(dá)窄行密播和帶播的要求。這種開(kāi)溝器工作速度不宜過(guò)高，最大為6~7km/h。因其構(gòu)造簡(jiǎn)潔，適于淺播和窄行播、帶播，主要用于蔬菜、甜菜和豆類播種機(jī)上。3存在問(wèn)題工作過(guò)程。具體步驟1邊界模型的建立基于AutoCAD模型，通過(guò)Pro/E軟件對(duì)芯鏵式和船形鏟式開(kāi)溝器進(jìn)展三維建模。然后運(yùn)用課題組開(kāi)發(fā)的離散元仿真分析軟件的前處理模塊提取芯鏵式和船形鏟式開(kāi)溝器的工作平面，并設(shè)置相應(yīng)的材料屬性和運(yùn)動(dòng)屬性，最終將邊界信息、材料信息、運(yùn)動(dòng)信息存入到數(shù)據(jù)庫(kù)以備后面仿真調(diào)用。2選擇適合土壤