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0引言

在機(jī)械機(jī)構(gòu)研究當(dāng)中，Pro／E、SolidWorks、UG、AutoCAD等，都發(fā)揮了相當(dāng)重要的作用，在結(jié)構(gòu)仿真方面也起到了不可或缺的作用。但是，這些軟件都是對(duì)整體結(jié)構(gòu)之間進(jìn)行機(jī)構(gòu)分析，包括結(jié)構(gòu)合理性和力學(xué)特性的分析。針對(duì)散粒體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)軌跡以及實(shí)時(shí)的力學(xué)特性分析就顯得稍微弱了些，在這方面pfc3d就顯示了其獨(dú)有的特性，分析結(jié)果具有直觀顯示特性，能夠隨時(shí)反映出顆粒在不同狀態(tài)下的多種特性，可以通過(guò)曲線以及力的矢量形態(tài)直觀觀察。很多農(nóng)業(yè)機(jī)械研究工作者利用該軟件進(jìn)行了與散粒體有關(guān)的機(jī)械研究，并且取得了很好的成果，主要是在種子篩選、犁在土壤中的運(yùn)動(dòng)、混料裝置等方面的研究。例如：中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院做的PFC模擬筑壩粗粒料力學(xué)特性的有效性分析、河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院趙月靜老師做的基于PFC的振動(dòng)篩分過(guò)程三維數(shù)值模擬、佳木斯大學(xué)周海波老師做的不同犁面設(shè)計(jì)力學(xué)分析等。這些成果都顯示了PFC3D在這方面的優(yōu)越性。

1PFC3D軟件簡(jiǎn)介

PFC（ParticalFlowCode）是由ITASCA集團(tuán)（設(shè)有ITASCA中國(guó)分公司）研發(fā)的顆粒流分析程序，有PFC2D和PFC3D兩種，特別適用于模擬多種性狀、大小的平面圓盤(pán)或三維球體的運(yùn)行及其相互作用。除了模擬大體積流動(dòng)和混合材料力學(xué)研究外，因?yàn)榻橘|(zhì)的基本構(gòu)成為顆粒（Particle），顆粒為剛性體，但在力學(xué)關(guān)系上允許重疊，以模擬顆粒之間的接觸力。顆粒之間的力學(xué)關(guān)系非常簡(jiǎn)單，即牛頓第二定律。在顆粒的宏觀力學(xué)特性受到影響時(shí)，顆粒隨著受力條件的不同，會(huì)表現(xiàn)出不同的狀態(tài)以及所處位置的變化。因此，在PFC計(jì)算中不需要給材料定義宏觀本構(gòu)關(guān)系和對(duì)應(yīng)的參數(shù)，這些傳統(tǒng)的力學(xué)特性和參數(shù)通過(guò)程序自動(dòng)獲得，而定義它們的是顆粒的幾何和力學(xué)參數(shù)，如顆粒級(jí)配、剛度、摩擦力、粘結(jié)介質(zhì)強(qiáng)度等微力學(xué)參數(shù)。PFC涉及的領(lǐng)域包括巖土工程、材料疲勞損傷、農(nóng)業(yè)、制造、傳送、篩選、分裝等。

2PFC3D軟件在犁面受力測(cè)試上的應(yīng)用

河南農(nóng)學(xué)院曾經(jīng)做過(guò)電測(cè)犁面受力，這種方法比較精確，但是對(duì)試驗(yàn)者的操作要求很高，一旦試驗(yàn)做得效果不是很好，得出的數(shù)據(jù)偏差會(huì)很大，同時(shí)也受環(huán)境影響比較大，不利于犁面真實(shí)受力的測(cè)得。而PFC則可以克服這些缺點(diǎn)，可以很準(zhǔn)確地測(cè)出犁體受力隨時(shí)間變化過(guò)程。

2．1建模

將犁面簡(jiǎn)化成面體結(jié)構(gòu)，土壤是用ball在指定范圍內(nèi)生成1500個(gè)小球放在土槽內(nèi)，并且上表面用壓實(shí)力使其密實(shí)度增大。然后在程序開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，將上表面的壓實(shí)力撤銷(xiāo)。最后使用hist指令在規(guī)定犁體的速度和耕深的同時(shí)去測(cè)量犁面受力。

2．2運(yùn)動(dòng)測(cè)試分析

犁體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力來(lái)源是機(jī)器的牽引力，因此我們給犁面一定的速度使其在土壤顆粒內(nèi)運(yùn)行，從而測(cè)繪出犁面的受力，并模擬出土壤顆粒之間力的矢量結(jié)構(gòu)，獲得不同運(yùn)動(dòng)速度與耕深的時(shí)間與力的曲線圖和土壤顆粒矢量圖。這樣結(jié)合不同工況下的力學(xué)曲線圖和犁體材質(zhì)以及形狀就能更好地設(shè)計(jì)出符合實(shí)際的犁體結(jié)構(gòu)以及運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

3結(jié)束語(yǔ)

PFC3D內(nèi)嵌程序語(yǔ)言FISH功能強(qiáng)大，可允許用戶根據(jù)自身需求定義新的變量和函數(shù)，進(jìn)行后續(xù)工況分析和變量、視圖處理等相關(guān)操作。在PFC3D中可以方便地研究顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如速度、位置等，從而很方便地對(duì)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的速度以及頻率等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，設(shè)計(jì)出更接近實(shí)際應(yīng)用的機(jī)械結(jié)構(gòu)及參數(shù)配置。因此，做顆粒和其他與顆粒相關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)方面的檢測(cè)與試驗(yàn)更具備節(jié)省材料、簡(jiǎn)化試驗(yàn)、直觀、數(shù)字化等優(yōu)點(diǎn)，這也是現(xiàn)如今被大部分農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)者應(yīng)用的主要原因。筆者認(rèn)為，在今后會(huì)有更多的科研工作者應(yīng)用它，并且PFC3D也將會(huì)被應(yīng)用到更多的領(lǐng)域。

作者：趙春龍 楊傳華 周海波 薛貝貝 單位：佳木斯大學(xué)機(jī)械學(xué)院