一种可破碎谷物颗粒离散元仿真模型构建方法与流程

本发明涉及谷物加工过程数值仿真技术领域，具体涉及一种可破碎谷物颗粒离散元仿真模型构建方法。

背景技术：

谷物加工过程广泛存在谷物颗粒间及谷物颗粒与加工设备间的相互作用，如挤压、剪切、冲击等。然而，在相互作用过程中，谷物颗粒会因所受外部载荷超过其自身极限强度而出现破碎。就玉米碴制取、小麦粉制取等谷物加工而言，谷物颗粒破碎将有助于改善其食用口感，提高人体对其营养成分的吸收能力，最大限度地发挥谷物中功能成分的功效，提高谷物附加值。相反，针对稻谷碾米、高粱米制取等谷物加工而言，谷物颗粒破碎将导致其食用品质及经济价值均降低。显然，无论谷物颗粒的破碎被期待与否，但从细观尺度明晰其破碎机理，一方面是从根本上解决谷物破碎问题的有效途径，另一方面是实现按需掌控谷物增碎的有效方法。

近些年来随着计算机和数值模拟的不断发展，虚拟仿真技术在谷物加工领域得到了较为广泛地应用。然而，传统虚拟仿真试验通常是将谷物颗粒作为均质各向同性的纯弹性体来考虑，且仅模拟其在相应加工过程中的动态运动行为，但未能重现普遍具有粘弹性力学属性的谷物颗粒的破碎现象，导致虚拟仿真试验与实际谷物加工试验存在一定偏差。

本发明专利提供了一种谷物颗粒离散元仿真模型建立的新方法，在显著减少试验工作量及成本，大大地缩短研究周期的基础上，可真实地模拟谷物颗粒破碎，方便地分析其在加工过程中的破碎机理，为谷物加工设备的设计与试验提供高效的途径和方法。就己经掌握的文献及专利资料来看，从考虑粘弹性力学属性的角度对可破碎谷物颗粒离散元仿真模型的建立尚未见报道。

技术实现要素：

发明目的，本发明提供一种可破碎谷物颗粒离散元仿真模型构建方法，突破了谷物加工过程离散元模拟中虚拟谷物颗粒模型不可破碎的难点，该方法同时考虑了真实谷物颗粒所具有的粘弹性力学属性，使其建模得到的谷物颗粒更加与实际谷物颗粒接近。

本发明采用的技术方案是：一种可破碎谷物颗粒离散元仿真模型构建方法，其特征在于建模步骤如下:

步骤1、基于对实际谷物颗粒特征尺寸的测量，获取近似谷物颗粒的几何体初始尺寸；

步骤2、基于步骤1获取的所述谷物颗粒初始尺寸，在cad设计软件中生成近似谷物颗粒几何体的三维模型；

步骤3、基于步骤2获取的所述谷物颗粒三维模型，在离散元软件中利用基本粒子对三维模型进行填充，建立谷物颗粒的初始离散元仿真模型；

步骤4、基于步骤3获取的所述谷物颗粒初始仿真模型，在其中引入虚拟圆柱体粘结键，构建初始可破碎谷物颗粒离散元仿真模型；

步骤5、以常规物理力学试验测量谷物颗粒所得到的力和变形曲线为目标，调整基于步骤4获取的所述初始可破碎谷物颗粒离散元仿真模型的细观参数，使得利用离散元仿真模型计算得到的力和变形曲线与实际测量得到的力和变形曲线相吻合，从而得到可破碎谷物颗粒离散元仿真模型。

与现有技术相比，本发明的有益效果是:

本发明相较于传统的谷物颗粒离散元建模方法，通过虚拟圆柱体粘结键构建的近似谷物颗粒的聚合体，使所建立的谷物颗粒离散元仿真模型可满足粮食加工过程中谷物颗粒破碎机理研究的需要。

本发明谷物颗粒离散元建模方法中因同时考虑了其所具有粘弹性力学属性的特点，故更能准确地反应真实谷物颗粒的受力情况，使所建立的谷物颗粒离散元仿真模型更加接近真实谷物颗粒。

附图说明

图1是建模方法的步骤流程图；

图2是基本球形粒子填充椭球体空间；

图3是基本球形粒子填充椭球体空间截面图；

图4是基本球形粒子间引入虚拟圆柱体粘结键；

图5是基本球形粒子间虚拟圆柱体粘结键引入截面图；

图6是糙米籽粒单轴压缩试验下的力和变形曲线与仿真数值试验下的力和变形曲线的对比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合可破碎糙米籽粒离散元仿真模型构建的具体示例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明的一种可破碎谷物颗粒离散元仿真模型构建方法的流程图。示例糙米品种选用东农429，示例离散元仿真软件选用edem。依据图1所示的流程图，作为示例的一种可破碎糙米籽粒离散元仿真模型的构建包括以下步骤:

(1)通过对含水率为15.6％的糙米样品中的200个糙米籽粒分别测量其长l、宽w、厚d三个方向特征尺寸；利用如下公式计算近似糙米籽粒的椭球体初始尺寸：

式中，dl为近似糙米籽粒的椭球体长轴，取值为6.8mm；ds为近似糙米籽粒的椭球体短轴，取值为2.4mm；ng为所测量的糙米籽粒数量。

(2)基于上一步骤所获得的近似糙米籽粒的椭球体初始尺寸，利用三维建模软件solidworks建立近似糙米籽粒的椭球体三维模型，由于需对近似糙米籽粒的椭球体进行填充，还需集料筒。将所构建的三维模型的igs格式文件导入离散元软件edem中。由于将糙米籽粒视为由表皮糠层和内部胚乳所组成的两相材料，故将椭球体空间分为内、外两层，并分别在两层中填充符合单一粒径的基本球形粒子a和b用于对表皮糠层和内部胚乳进行表征，如图2和3所示；基本球形粒子的数量和相应填充率间的关系可依据下式：

式中，α为基本球形粒子填充度，取值0.56；vt为椭球体空间的体积，取值25.246mm³；na为基本球形粒子a的数量，取值1750；nb为基本球形粒子b的数量，取值546；ra为基本球形粒子a的半径，取值0.09mm；rb为基本球形粒子b的半径，取值0.16mm。

(3)在由基本球形粒子所初步构建的糙米籽粒离散元仿真模型中引入虚拟圆柱体粘结键，如图4和5所示；基本球形粒子采用的力学模型同时满足由接触粘结模型和maxwell粘弹性模型所组成的复合力学模型，上述复合力学模型中接触应力的计算如下：

式中，为t+δt时间步的法向粘结力；为t时间步的法向粘结力；为t+δt计算时间步的切向粘结力；为t时间步的切向粘结力；kn,b为法向粘结刚度；ks,b为切向粘结刚度；lb为虚拟圆柱体粘结键的长度；ab为虚拟圆柱体粘结键的横截面积；为基本球形粒子间法向相对速度；为基本球形粒子间切向相对速度；η为粘性系数。

(4)根据初步建立的离散元仿真模型，进行糙米籽粒单轴压缩试验的离散元仿真试验。通过在离散元软件edem中保持物性参数和接触参数不变，而反复调整细观参数中的粘结参数，使得仿真试验所获得的力与变形曲线，与单轴压缩试验测量得到的力与变形曲线相吻合，见图6。经反复调整后所获得的糙米籽粒离散元仿真模型的细观参数，详见下表1。至此，模型建立完毕，实现了可破碎糙米籽粒离散元仿真模型的构建。

表1糙米颗粒试验细观参数

以上所述，仅为本发明实施方式之一，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。