圓捆打捆機撿拾機構(gòu)動力學仿真分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u32286圓捆打捆機撿拾機構(gòu)動力學仿真分析案例 182791.1圓捆機撿拾器組成結(jié)構(gòu)與工作原理 2243701.1.1圓捆打捆機組成結(jié)構(gòu)與工作原理 2223321.1.2圓捆打捆機撿拾機構(gòu)組成結(jié)構(gòu)與工作原理 286401.1.3彈齒式撿拾機構(gòu)工作原理 3309681.2彈齒滾筒式撿拾器動力學分析 489471.1.1彈齒尖端運動軌跡及規(guī)律 4231121.1.2圓捆打捆機撿拾效果的影響因素分析 620231.1.3撿拾機構(gòu)的力學分析 7271071.3圓捆打捆機仿真軟件選擇 1046991.3.1CATIA軟件簡介 10166091.3.2ADAMS軟件簡介 10173931.3.3EDEM軟件介紹 11152401.4圓捆打捆機多剛體動力學耦合仿真方法 1231701.4.1耦合仿真模型建立流程 1213191.4.2多體動力學的數(shù)字建模 12251651.4.3離散元秸稈建模 1361881.5圓捆打捆機整機三維造型 14254851.5.1圓捆打捆機關(guān)鍵部件建模 14316461.5.2整機虛擬裝配 15167011.6秸稈覆蓋模型的建立 1645061.6.1田間采樣 1673731.6.2秸稈模型的建立 1898611.7圓捆打捆機耦合模型建立 20263291.7.1耦合腳本文件配置 20120531.7.2圓捆打捆機耦合模型 21通過對圓捆打捆機撿拾機構(gòu)進行建模與運動仿真分析，圓捆打捆機在工作狀態(tài)下的運動包含圓捆機沿前進方向的水平運動、彈齒在復(fù)合力作用下的擺線運動、各成型鋼輥的運動不一致，在對圓捆機各關(guān)鍵部件進行分析時，如若使用傳統(tǒng)方法進行計算分析，不僅因為計算量打?qū)е码y以獲得準確的運動規(guī)律，而且對圓捆機工作過程在不同時刻的運動狀態(tài)也難以進行描述。因此使用CATIA軟件對撿拾機構(gòu)進行建模仿真，既能夠直接觀察各運動部件的運動狀態(tài)，還能使各工作部件根據(jù)需要設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)值，對仿真結(jié)構(gòu)進行分析后，有利于獲得最優(yōu)解。1.1圓捆機撿拾器組成結(jié)構(gòu)與工作原理1.1.1圓捆打捆機組成結(jié)構(gòu)與工作原理如圖1.1所示為圓捆打捆機的組成結(jié)構(gòu)，該機主要由牽引架、主機架、壓草捆、撿拾器、喂入機構(gòu)、圓捆成型室、纏網(wǎng)裝置、行走輪等組成。作業(yè)時，由拖拉機牽引，撿拾器3的彈齒將地面上的秸稈撿起，輸送到喂入機構(gòu)4中，喂入機構(gòu)4的秸稈經(jīng)刀輥作用后將秸稈向成型室7輸送，成型室7的秸稈沿成型機構(gòu)進行轉(zhuǎn)動，當上升至一定的高度后，在重力作用下回落，形成草捆的捆芯。隨著打捆機的前進，撿拾的秸稈不斷增加，草捆的直徑不斷增大，當成型室充滿秸稈時，成型機構(gòu)的轉(zhuǎn)動會對草捆進行加壓，當草捆緊實度達到設(shè)定值時，纏網(wǎng)機構(gòu)5對草捆進行纏網(wǎng)，纏網(wǎng)結(jié)束后，打開成型室的后門開口，圓草捆從打捆機后門上滾落，落到地面上。1、牽引架，2、壓草捆，3、撿拾器，4、喂入機構(gòu)，5、纏網(wǎng)裝置，6、主機架，7、成型室，8、行走輪圖1.1打捆機的組成結(jié)構(gòu)Fig.1.1Structureofbaler1.1.2圓捆打捆機撿拾機構(gòu)組成結(jié)構(gòu)與工作原理彈齒滾筒式撿拾器作為打捆機作業(yè)中的一個重要部件，其功能主要是將散落在田間的秸稈進行撿拾提升并輸送到喂入機構(gòu)中，其結(jié)構(gòu)如圖1.2所示。彈齒滾筒式撿拾機構(gòu)安裝在圓捆打捆機機架上，其中彈齒固定連接在彈齒桿上，市場上典型的撿拾器主要包含四排或五排彈齒為主。由三段圓弧和一段直線組成的凸輪盤固定在外側(cè)支承板上，兩個滾筒圓盤分別固定在撿拾器軸7的兩端，并在撿拾器軸7的力作用下一起轉(zhuǎn)動。彈齒桿5一端固定安裝彈齒1，另一端通過軸承周向均布安裝在滾筒圓盤上，彈齒桿5和彈齒1在滾筒圓盤的帶動下進行旋轉(zhuǎn)運動。滾輪3與曲柄6安裝后固定在彈齒桿的一端，在彈齒桿5的運動過程中帶動滾輪3在固定軌道槽中滾動。1、彈齒，2、護板，3、滾輪，4、軌道槽板，5、彈齒桿，6、曲柄，7、撿拾器軸，8、固定盤圖1.2彈齒滾筒式撿拾機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig1.2Structurediagramofspringtoothdrumpickupmechanism1.1.3彈齒式撿拾機構(gòu)工作原理撿拾機構(gòu)通過安裝在滾筒圓盤上的彈齒將散布在田間土地上的農(nóng)作物秸稈經(jīng)撿拾后送入圓捆機的成型室中打捆，彈齒齒端的運動軌跡取決于滾輪的運動軌跡，因此滾輪槽的結(jié)構(gòu)決定了撿拾機構(gòu)的運動過程。圖1.3所示為彈齒滾筒式撿拾機構(gòu)滾輪運動軌跡圖，滾輪運動軌跡由四部分組成，其中ac為撿拾段，ce為舉升段，eg為推送段，ga為空行段，彈齒在滾輪帶動下，完成秸稈的撿拾、舉升和推送過程。當滾輪在ac段運動時，彈齒伸出從地面撿拾散落的農(nóng)作物秸稈，并將秸稈向摟起。當滾輪在ce段運動時，彈齒推動秸稈向上運動到護板上方的喂入輥中。當滾輪在eg段運動時，彈齒桿向護板方向回縮，同時彈齒相對速度下降，從而保證秸稈與彈齒順利脫離，避免秸稈堵塞現(xiàn)象發(fā)生。圖1.3彈齒滾筒式撿拾機構(gòu)滾輪運動軌跡圖Fig1.3Trackdiagramofrollermotionofspringtoothdrumpickupmechanism1.2彈齒滾筒式撿拾器動力學分析本文研究的高密度圓捆打捆機撿拾機構(gòu)采用彈齒滾筒式撿拾機構(gòu)，對其性能要求需滿足以下幾點：撿拾效率高，撿拾機構(gòu)工作后地面剩余秸稈少，撿拾率應(yīng)不高于2%；撿拾過程中應(yīng)減少對秸稈的沖擊，避免撿拾過程中秸稈混入過多的雜志；撿拾過程中，秸稈從地面撿拾后并送入喂入輥后應(yīng)能及時與彈齒分離，避免秸稈拖帶和堵塞現(xiàn)象發(fā)生。1.1.1彈齒尖端運動軌跡及規(guī)律撿拾機構(gòu)工作過程中，彈齒受到由主軸傳遞過來的旋轉(zhuǎn)力，該旋轉(zhuǎn)力驅(qū)動圓盤帶動彈齒桿進行轉(zhuǎn)動。同時圓捆打捆機在牽引拖拉機的作用下水平移動，因此彈齒在隨彈齒桿轉(zhuǎn)動的同時，還受到圓捆機前進方向的牽引力。由于滾輪與滾輪槽形成的運動副和配合間隙的因素，導(dǎo)致彈齒運動過程中會有擺動。綜上所述，彈齒在工作過程中所受到的以上三個力的合力作用，共同約束彈齒的運動軌跡。在對彈齒運動軌跡進行實際分析過程中，因滾輪槽原因?qū)е碌膹楜X擺動對撿拾作業(yè)影響較小，故在本文中將忽略該擺動力，僅考慮彈齒運動中受到的旋轉(zhuǎn)力和水平牽引力的作用影響。彈齒運動軌跡如圖1.4所示，彈齒的運動由豎直方向的旋轉(zhuǎn)和水平方向的移動合成，運動軌跡為豎直平面內(nèi)的擺線運動，其運動方程如下所示：x=Vt+R?Vx=Vt式中Vt——打捆機速度R——曲柄半徑ω——曲柄回轉(zhuǎn)角速度t——時間Vx——彈齒水平速度Vy撿拾機構(gòu)工作過程中，需保證秸稈在撿拾階段不漏檢、提升階段不掉落和推送階段迅速分離不纏繞堵塞，因此為保證撿拾機構(gòu)工作性能，在彈齒運動到回轉(zhuǎn)最高點時，其水平分速度應(yīng)等于零。即，Vx=Vt?假設(shè)彈齒線速度與打捆機速度之比為λ,λ=R′?ω′式中，R′為彈齒回轉(zhuǎn)半徑ω′為彈齒角速度本文中，取彈齒角速度ω′與曲柄角速度ω近似相等，故λ的方程可修改為如下：λ=R′?ω1、彈齒，2、護板，3、滾輪，4、軌道槽板，5、彈齒桿，6、曲柄，7、撿拾器軸，8、固定盤圖1.4彈齒運動軌跡Fig1.4Trajectorydiagramofspringteeth為保證撿拾機構(gòu)對秸稈的推送效果，通過對λ取值分析后發(fā)現(xiàn)，只有當λ>1時，彈齒端部的運動軌跡為余擺線才能保證在推送階段，彈齒的水平分速度方向與圓捆機前進方向相反，從而保證秸稈具有良好的推送效果，使撿拾機構(gòu)能夠正常作業(yè)。通過對滾輪槽、曲柄和彈齒的運動過程分析，并經(jīng)計算后，獲得彈齒端部運動方程。如下所示：XG=VVXG=a（2-8）式中，XG——彈齒水平位移YVXVYGaaYGl——彈齒原長φ——凸輪運動擺角φ0——凸輪初始γ——曲柄與彈齒之間的夾角其中，初始擺角φ0的表達公式如下所示，φ0=arccosR2式中，R0——基圓半徑1.1.2圓捆打捆機撿拾效果的影響因素分析撿拾機構(gòu)的工作質(zhì)量取決于撿拾后地面秸稈的殘余量剩余情況，地面秸稈殘余量越少，說明撿拾機構(gòu)工作質(zhì)量越好。在圖1.4中可以看出A點為相鄰的兩排彈齒尺端的運動軌跡的交點，B、C為相鄰兩彈齒齒端在運動過程中的最低點。圖中封閉陰影區(qū)域ABC為彈齒在工作過程中所不能覆蓋的區(qū)域，這一區(qū)域被稱為撿拾遺漏區(qū)，漏撿區(qū)的面積計算如下。設(shè)定彈齒齒端的運動軌跡方程（2-10）則相鄰彈齒齒端的軌跡方程為（2-11）從而得出漏撿區(qū)面積S為（2-12）式中，vm——前進速度z——齒桿數(shù)XB、XC——兩軌跡方程的最低點橫坐標XA——兩軌跡方程交點的橫坐標y0——為相鄰彈齒端部的垂直方向位移yC——彈齒端部位于最低點時垂直坐標秸稈在撿拾過程中，撿拾階段需避免因彈齒沖擊力度過大導(dǎo)致秸稈破損，在秸稈提升階段需使彈齒運動速度盡可能保持不變，避免秸稈在彈齒作用下提升平穩(wěn)和秸稈不掉落，推送階段需使彈齒端部相對速度方向向下，避免秸稈堵塞。而彈齒運動軌跡受軌道槽形狀影響，當彈齒端部加速度過大時會導(dǎo)致軌道槽磨損加劇。因此，結(jié)合圖1.4彈齒運動軌跡和漏撿區(qū)計算公式2-12，撿拾機構(gòu)工作質(zhì)量受到漏撿區(qū)面積、軌道槽參數(shù)和彈齒結(jié)構(gòu)等因素影響。1.1.3撿拾機構(gòu)的力學分析圓捆機撿拾機構(gòu)通過彈齒在豎直平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運動，將與其接觸的秸稈經(jīng)過撿拾、提升和推送等階段送入圓捆機的喂入輥中。秸稈進入成型室前，彈齒與秸稈之間必須始終保持接觸狀態(tài)，因此彈齒與秸稈在接觸期間所產(chǎn)生的作用力大小將會直接影響圓捆機的撿拾工作質(zhì)量。如在彈齒撿拾階段，如果秸稈與彈齒之間的作用力過小，將導(dǎo)致秸稈無法被撿拾起來，導(dǎo)致漏檢，反之將導(dǎo)致秸稈破碎無法撿拾。在彈齒提升階段，秸稈受到接觸作用力、摩擦力和重力等作用力的作用，其合力作用的結(jié)果將影響秸稈的提升效果，嚴重時可能導(dǎo)致秸稈在提升過程中滑落現(xiàn)象的發(fā)生。因此，在本文研究中，將主要研究秸稈與彈齒初始接觸階段和秸稈提升階段兩個階段的力學分析。秸稈與彈齒初始接觸階段，圓捆機撿拾機構(gòu)的彈齒隨主軸做旋轉(zhuǎn)運動，從護板伸出時即具有初始速度，彈齒與秸稈接觸的初始時刻，秸稈在彈齒力的作用下迅速由靜止狀態(tài)加速至彈齒運動速度，完成秸稈的撿拾。由于秸稈密度小，在秸稈撿拾初始階段秸稈與彈齒接觸后，在受到彈齒力的作用后會產(chǎn)生明顯的變形，在研究秸稈在撿拾和提升階段的受力分析時，將秸稈看做柔性體，因此將秸稈撿拾初始階段簡化為單柔體系統(tǒng)的碰撞模型。假設(shè)在彈齒與秸稈接觸前，彈齒與秸稈在水平方向上的速度分別為v1、v2，其中，v2v1′=v1v2′=v2式中，v1——未碰撞時彈齒水平速度v2——未v1′——已碰撞彈齒水平速度v2′——已碰撞秸稈水平速度m1m2e——碰撞系數(shù)圓捆機實際撿拾過程中，彈齒與秸稈短暫接觸，彈齒在接觸秸稈前后速度變化值可忽略不計，因此，在進行計算式將彈齒水平速度以v1代入，并對工作過程影響不大的自重、空氣阻力等因素進行忽略不計，進而獲得秸稈在接觸瞬間被撿拾的速度條件如下所示：v2′≤v1經(jīng)對上述公式進行整理計算后可得：1+em1m1+m2其中，碰撞恢復(fù)系數(shù)e的值與碰撞速度成正比例關(guān)系，當彈齒與秸稈接觸瞬間，如彈齒速度過大將可能增大漏檢率，因此彈齒絕對速度值應(yīng)不超過3m/s。秸稈提升階段，秸稈在自身重力和彈齒力的合力作用下，秸稈和彈齒之間可能發(fā)生相對運動，導(dǎo)致秸稈掉落。因此，以秸稈為研究對象，忽略秸稈形狀，假設(shè)秸稈為質(zhì)點，分析秸稈不掉落的臨界條件。通過對秸稈進行運動學分析可知，a=ae+a式中，a——合加速度ae——秸稈受到的牽引加速度ar——秸稈受到的相對加速度ak——秸稈受到的科氏加速度圖1.5無相對運動時質(zhì)點受力圖Fig1.5Forcediagramofparticleswithoutrelativemotion秸稈提升階段，忽略對計算影響不大的秸稈滑動因素。此時秸稈的ar、vr和ak均取零值aa=ae=p′ω′由圖1.5可以看出，在秸稈提升階段，秸稈在彈齒上的相對位置可以由M點表示，彈齒桿通過Q點與曲柄進行聯(lián)結(jié)。由達朗貝爾原理可知，秸稈在提升階段的受力過程需考慮秸稈自身重量，同時對秸稈提升過程影響不大的空氣阻力和摩擦力進行忽略不計，此時可以獲得秸稈在彈齒作用下平穩(wěn)提升且不會產(chǎn)生掉落時的秸稈受力情況如下所示：Ff?mgsinγ?其中，m——秸稈自身重量Ff——靜摩擦力，F(xiàn)f=FN——彈齒本身具有的彈力Fg——秸稈運動慣性力，γ——曲柄夾角β——彈齒與秸稈間夾角根據(jù)圖1.5分析可得相互關(guān)系如下所示：γ′?γ=β+β′其中，sinγ=sinγ+β=H+H′故，β=arcsinH+H′psinγ′=HRsinβ=p0根據(jù)以上各式可知，秸稈提升階段，秸稈與彈齒之間的相對運動受到彈齒端部的角速度ω′，秸稈與連接點Q之間的距離p1.3圓捆打捆機仿真軟件選擇1.3.1CATIA軟件簡介CATIA軟件是法國達索飛機公司在20世紀70年代開發(fā)的CAD/CAM軟件，全稱為“ComputerAidedTri-DimensionalInteractiveApplication”的縮寫。該軟件在機械制造、汽車制造、造船、航空航天等行業(yè)被廣泛應(yīng)用，設(shè)計領(lǐng)域涵蓋了所有的產(chǎn)品設(shè)計與制造。該軟件給用戶提供了產(chǎn)品開發(fā)工作環(huán)境，該環(huán)境包含了整個產(chǎn)品開發(fā)過程，通過此環(huán)境，工作人員可以對產(chǎn)品在全開發(fā)流程下進行所有的實時仿真與分析，涉及了產(chǎn)品開發(fā)的各個環(huán)節(jié)。采用良好的人機交互界面，為工程技術(shù)人員與客戶溝通交流提供了必要的通信基礎(chǔ)，同時便于相關(guān)人員的協(xié)作開發(fā)。使用該軟件可以完成產(chǎn)品從概念設(shè)計到詳細設(shè)計，再到具體的工程分析以及后期的產(chǎn)品生產(chǎn)和使用維護，都可以在該軟件中進行建模分析。其強大的軟件使用功能涵蓋了產(chǎn)品的整個開發(fā)過程。其強大的三維實體造型功能，更是能夠讓產(chǎn)品設(shè)計人員在電腦上完成產(chǎn)品的零件三維建模和虛擬裝配，極大地縮短了產(chǎn)品的開發(fā)時間和流程。同時在三維模型上通過設(shè)置相關(guān)約束、定義相關(guān)參數(shù)，在產(chǎn)品三維模型上即可完成對部件進行運動干涉分析和受力分析，了解產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點和運動變化情況，便于設(shè)計人員及時發(fā)現(xiàn)問題并解決問題，降低了設(shè)計人員的工作強度，提高了產(chǎn)品設(shè)計效率。1.3.2ADAMS軟件簡介ADAMS由美國機械動力公司開發(fā)，屬于虛擬樣機分析軟件，該軟件又名機械系統(tǒng)動力學自動分析(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystems)。ADAMS軟件采用目前廣泛使用的交互式圖形處理環(huán)境，便于使用者進行人機交互。通過軟件系統(tǒng)自帶的零件零件庫、約束庫和力庫，使用者能夠在軟件上快速完成機械系統(tǒng)模型創(chuàng)建，通過采用參數(shù)化建模的方法創(chuàng)建的系統(tǒng)三維模型可以模擬實際工作情況添加構(gòu)建受力和約束情況。具有多模塊單元，可以完成不同類型的仿真分析需求。特有的求解器具有多種多剛體系統(tǒng)動力學理論支撐，比如其中的拉格朗日方程方法。通過對系統(tǒng)模型建立系統(tǒng)動力學方程，在該軟件中對建立的虛擬模型系統(tǒng)，采用虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學、運動學和動力學分析，可以獲得該機械系統(tǒng)多種特性輸出曲線，如輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線等。目前，ADAMS軟件的廣泛使用，通過在預(yù)測機械系統(tǒng)的性能、運動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計算有限元的輸入載荷等方面進行仿真分析，為使用者提供了極大的便利性。ADAMS軟件具有兩面性，其既是虛擬樣機分析的應(yīng)用軟件，使用者而可以通過軟件自身具有的強大的仿真分析能力完成機械系統(tǒng)的力學分析，包括靜力學、運動學和動力學分析。又可以把該軟件作為虛擬樣機分析工具，通過其開放性的程序特點，針對不同的使用者，可以根據(jù)自身需求在基礎(chǔ)版本上開發(fā)出適合特定行業(yè)需求的軟件，便于后期更有針對性的完成一些特殊行業(yè)的仿真分析需求，作為二次開發(fā)平臺，其特有的程序結(jié)構(gòu)為后期用戶開發(fā)提供了極大的便利性和使用可靠性。1.3.3EDEM軟件介紹EDEM是全球首個采用多用途離散元素法對顆粒進行處理和生產(chǎn)過程進行仿真和分析的CAE建模軟件，在該軟降中，通過顆粒工廠對所需仿真的材料進行顆粒建模，通過其強大的參數(shù)化建模方式，完成顆粒的力學和物理特性的描繪與添加，及時構(gòu)建顆粒的力學性能、物料性質(zhì)等相關(guān)物理特性。對于散狀物料加工，采用顆粒建模方法進行模擬，能夠讓使用者快速獲得顆粒本身特性，同時便于使用者掌握顆粒體的基本物理特性和力學特性，同時優(yōu)化散料處理設(shè)備的設(shè)計和測試。EDEM軟件由三個模塊組成，分別是前處理模塊（Creator）、求解器（Simulator）、后處理模塊三個模塊，可對應(yīng)完成模型創(chuàng)建、仿真求解和數(shù)據(jù)分析功能。用戶通過前處理模塊（Creator）完成顆粒建模，設(shè)置顆粒生成方式，也可以定義或?qū)氩⑼瓿蒀AD模型的設(shè)置。通過求解器（Simulator）完成顆粒的動力學和場力的計算，通過與其他工具共同進行耦合分析，實現(xiàn)質(zhì)量和熱量交換。通過后處理模塊（Analyst）對數(shù)據(jù)進行提取和導(dǎo)出，利用3D圖片和動畫，結(jié)合相應(yīng)圖標分析工具，完成數(shù)據(jù)的可視化操作。EDEM軟件與主流CAE軟件結(jié)合進行顆粒系統(tǒng)與流體、機械結(jié)構(gòu)、電磁場耦合仿真。同時EDEM還可以與FEA工具耦合，在耦合仿真模型上設(shè)置工作參數(shù)，添加相關(guān)載荷，完成對設(shè)計零件進行仿真分析，將結(jié)果直接導(dǎo)出到所選的結(jié)構(gòu)分析工具中。1.4圓捆打捆機多剛體動力學耦合仿真方法1.4.1耦合仿真模型建立流程目前對ADAMS與EDEM進行耦合采用的方法主要有兩種。第一種是安裝由?；咀灾鏖_發(fā)的EAlink插件，將EDEM中的機構(gòu)模型與ADAMS中的模型數(shù)據(jù)進行耦合建模，通過耦合仿真完成相應(yīng)的計算和分析。具有高速率完成振動和耐久性等多模塊協(xié)同分析。第二種是采用ADAMS軟件的Co-simulation模塊與EDEM軟件進行耦合仿真分析，此種方法無須安裝額外插件，具備使用便捷，耦合效果好的特點。本文采用ADAMS軟件的Co-simulation模塊與EDEM軟件進行耦合仿真分析。ADAMS和DEM兩軟件建立耦合的關(guān)鍵是建立模型在兩軟件之間的交互點，這主要是通過利用ADAMS中撿拾器模型的Marker點來設(shè)置GFORCE，再通過配置建立ADAMS和EDEM協(xié)同仿真拓撲的腳本文件，來建立ADAMS和DEM之間的運動和力的數(shù)據(jù)傳遞。在進行ADAMS和DEM耦合仿真時，本文選用的多體動力學軟件和離散元軟件分別是ADAMS2019和DEM2018，耦合仿真的模型的設(shè)置過程如圖1.6所示。ADAMS軟件中主要進行撿拾器的運動學設(shè)置，秸稈模型由DEM軟件提供，耦合仿真的過程在DEM軟件中能夠?qū)崟r更新，可以觀察到撿拾過程的運動狀態(tài)。圖1.6ADAMS—EDEM耦合仿真流程Fig1.6Adams-edemcouplingsimulationprocess1.4.2多體動力學的數(shù)字建模進行撿拾器的多剛體動力學建模時，根據(jù)CATIA建立的機械系統(tǒng)模型特點，按照拉格朗日乘子法原理要求，通過對每個剛體進行分析后建立相應(yīng)的拉格朗日方程和對應(yīng)的約束方程[19]，ADAMS在進行求解時，通過將二階微分方程采用數(shù)學方法調(diào)整為一階微分方程，利用一階微分方程求解方法來求解,則可得多剛體系統(tǒng)的6個一階的力學方程（力和加速度的關(guān)系）為：（2-23）6個一階的運動學方程為：（2-24）系統(tǒng)的外力方程和系統(tǒng)的約束方程為：（2-25）代數(shù)微分方程定義如下式：（2-26）式中：把看成狀態(tài)向量，則系統(tǒng)的方程可用下式表示：（2-27）式中：u—廣義坐標的微分，q—笛卡爾廣義坐標，f—外力和約束，t—時間，K—機械系統(tǒng)動能；qj—系統(tǒng)廣義坐標；λi—拉格朗日乘子列陣；Fj—廣義坐標方向的廣義力；Ψi—系統(tǒng)的約束方程,x,y,z—直角坐標；Ψ，φ，θ—坐標對應(yīng)歐拉角。1.4.3離散元秸稈建模為了分析動態(tài)條件下的撿拾器與秸稈之間的相互作用，采用多體動力學和離散元軟耦合的方法來開展撿拾器的性能仿真分析。運用離散元對秸稈顆粒進行建模時，由于秸稈量較大，結(jié)合計算機的仿真能力和前人成功的經(jīng)驗[13,19]，選取Hertz-Mindlin顆粒接觸模型來進行秸稈顆粒的建模。利用離散元的Hertz-Mindlin顆粒接觸模型進行物料顆粒建模[20-21]，其原理如圖1.7所示。接觸參數(shù)值中主要包括一般作用力Fn和一般阻尼作用力Fnt，其計算方法如下：（2-28）（2-29）式中：Ek是楊氏模量，Rk是當量半徑，n是一般重疊，Sn是一般剛度，mk是質(zhì)量vrel是粒子i和粒子j之間相對速度的法向分量。1、質(zhì)點剛度，2、阻尼，3、摩擦力圖1.7顆粒接觸模型Figure1.7particlecontactmodel1.5圓捆打捆機整機三維造型針對圓捆打捆機相關(guān)結(jié)構(gòu)進行仿真分析，需完成正確的整機三維造型。圓捆打捆機零件數(shù)量多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如果直接在ADAMS軟件中建立模型，將會導(dǎo)致無法精確繪制出相關(guān)零部件結(jié)構(gòu)，因此在本文中將利用目前市場上主流的三維制圖軟件完成圓捆打捆機的整機建模，再導(dǎo)入ADAMS軟件和EDEM軟件進行相關(guān)的仿真分析。目前主流的三維設(shè)計軟件品類眾多，為了更好地完成后續(xù)耦合仿真，本文中采用CATIA軟件對圓捆打捆機整機進行建模。通過CATIA軟件強大的三維制圖功能，在該軟件中分別對圓捆打捆機撿拾機構(gòu)、成型機構(gòu)、傳動機構(gòu)和機架等主要部件進行零部件繪制和整機裝配。1.5.1圓捆打捆機關(guān)鍵部件建模為了保證撿拾效率高、漏撿率低，結(jié)合目前秸稈撿拾過程中最常采用的撿拾裝置，本文采用彈齒滾筒式撿拾機構(gòu)，設(shè)定工作幅寬900mm，輥筒半徑110mm，曲柄長度56mm，每根彈齒桿上均布12個彈齒，采用4根彈齒桿結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以很好地保證秸稈撿拾效果，圓捆打捆機撿拾機構(gòu)如圖1.8所示。圖1.8圓捆打捆機撿拾機構(gòu)Fig1.8Pickupmechanismofroundbaler成型機構(gòu)采用12個成型輥筒在成型室中均勻分布，參考現(xiàn)有圓捆打捆機成型鋼輥尺寸，確定本機構(gòu)鋼輥直接為150mm，為保證秸稈在成型鋼輥中的運動效果，增大鋼輥與秸稈間的摩擦系數(shù)，在每根成型鋼輥上安裝棱狀突起，確保秸稈在成型機構(gòu)中運動時，不會發(fā)生纏繞或堵塞現(xiàn)象，成型鋼輥位置布置圖及結(jié)構(gòu)如圖1.9和1.10所示。圖1.9成型鋼輥位置布置圖Fig1.9Positionlayoutofformingsteelroll圖1.10成型鋼輥結(jié)構(gòu)圖Fig1.10Structuraldrawingofformingsteelrol1.5.2整機虛擬裝配完成圓捆打捆機各部件建模后，在CATIA軟件中對圓捆打捆機進行虛擬裝配。通過虛擬裝配過程，及時發(fā)現(xiàn)并修改相互干涉的零部件。同時根據(jù)裝配要求，及時調(diào)整零部件尺寸，使各部件能夠按照裝配要求正確組裝。因為采用三維繪圖軟件虛擬裝配，避免了實物裝配不匹配時造成的經(jīng)濟損失，同時虛擬裝配后的模型便于后續(xù)仿真分析軟件的直接調(diào)用，極大地提高了設(shè)計生產(chǎn)效率，圓捆打捆機整機三維模型如圖1.11所示。圖1.11圓捆打捆機整機三維模型Fig1.11Threedimensionalmodelofroundbaler1.6秸稈覆蓋模型的建立1.6.1田間采樣選取水稻秸稈為研究對象。為提高仿真的精確度，對經(jīng)過聯(lián)合收割機粉碎拋撒后的水稻秸稈的覆蓋量和長度進行測量，采用1×1m2取樣進行隨機測定。圖1.12田間采樣Fig1.12Fieldsampling分別選取三組進行測量，得出秸稈覆蓋量的均值為0.55kg/m2，在進行秸稈長度測量時，選取三組單個平方米內(nèi)的水稻秸稈長度進行分類，將小麥的秸稈長度分成四種區(qū)間，分別為≤70、70~150、150~230、＞230mm，不同長度區(qū)間的小麥秸稈分類如圖1.13所示，計算得出不同秸稈長度的比例如表2所示。在進行仿真時，將上述四種區(qū)間的水稻秸稈長度分別設(shè)置為45、110、190、和270mm，所有水稻秸稈均選擇隨機下落?！?070~150150~230≥230圖1.13秸稈長度分類圖Fig1.13Strawlengthclassificationchart在EDEM軟件中進行秸稈的前處理設(shè)置時，選取水稻秸稈為研究對象。為提高仿真的精確度，對經(jīng)過聯(lián)合收割機粉碎拋撒后的水稻秸稈的覆蓋量和長度區(qū)間進行測量，采用1×1m2取樣框隨機選取三組進行測量，得出秸稈覆蓋量的均值為0.65kg/m2，在進行秸稈長度測量時，選取三組單個平方米內(nèi)的水稻秸稈長度進行分類，將秸稈長度分成5種區(qū)間，分別為≤70、70-150、150-230、230-310和＞310mm，不同長度區(qū)間的水稻秸稈所占單位平米內(nèi)的質(zhì)量如圖1.14所示。在進行仿真時，將上述5種區(qū)間的水稻秸稈長度分別設(shè)置為45、110、190、270和350mm，所有水稻秸稈均選擇隨機下落。圖1.14秸稈質(zhì)量分布Fig.1.14Strawmassdistribution1.6.2秸稈模型的建立本文采用EDEM2019軟件模擬秸稈從地面覆蓋至成型機構(gòu)打捆成型過程進行運動建模仿真，考慮到草捆在成型機構(gòu)中的秸稈運動速度和秸稈質(zhì)量取決于撿拾機構(gòu)前期撿拾效率，因此，本文中將對秸稈從地面覆蓋狀態(tài)撿拾與秸稈在成型機構(gòu)中成捆進行建模仿真，以期獲得圓捆打捆機真實成捆狀態(tài)。為了更好地模擬土壤和秸稈在仿真時的真實效果，確定土壤顆粒半徑為4mm，土壤顆粒間相互作用采用Hertz-Mindlin顆粒模型模擬。由于秸稈為谷物收割后剩余的莖葉或藤蔓部分，其主要組成為有機化合物，從材料學角度來看存在各向異性。秸稈作為柔性體，在打捆機實際作業(yè)中，秸稈除了按照撿拾和成型規(guī)律進行運動外，其自身因為受力而發(fā)生形狀改變，導(dǎo)致纏輥、堵塞等現(xiàn)象發(fā)生。因此，在EDEM2019中對秸稈進行柔性體建模仿真時具有較大難度，無法準確實現(xiàn)秸稈在撿拾和成型過程中其自身形狀發(fā)生變化后對其運動規(guī)律和受力規(guī)律變化進行仿真。本文按照取樣秸稈長度，采用SingleSphere模型建立半徑為3mm，球心間距為3mm的長線性秸稈模型，如圖1.15所示。圖1.15秸稈顆粒模型Fig.1.15Strawparticlemodel采用Adams和EDEM軟件進行耦合仿真分析時，需對材料參數(shù)和接觸參數(shù)進行配置，包括撿拾和成型機構(gòu)、秸稈、土壤等材料的密度、剪切模量和泊松比等，同時還需要對秸稈與秸稈、秸稈與土壤、撿拾與成型機構(gòu)和秸稈之間的動靜摩擦系數(shù)和回復(fù)系數(shù)等進行配置如表1.1、表1.2所示。表1.1秸稈與土壤相關(guān)材料參數(shù)Tab1.1Strawandsoilrelatedmaterialparameters特征數(shù)值秸稈顆粒半徑（mm）土壤顆粒半徑（mm）秸稈密度(kg·m-3)土壤密度(kg·m-3)秸稈泊松比土壤泊松比秸稈剪切模量（Pa）土壤剪切模量（Pa）秸稈-秸稈靜摩擦因數(shù)土壤-土壤靜摩擦因數(shù)秸稈-秸稈滾動摩擦因數(shù)土壤-土壤滾動摩擦因數(shù)6.05.024118500.40.381×1061×1060.450.60.250.4表1.2圓捆打捆機模型材料參數(shù)Tab1.2Materialparametersoftheroundbalermodel特征數(shù)值密度（Kg/m37.801×103楊氏模量(N/m21.07×1011泊松比0.291.7圓捆打捆機耦合模型建立1.7.1耦合腳本文件配置采用ADAMS自帶的Co-simulation模塊與EDEM軟件進行耦合仿真分析，需對相關(guān)的.acf文件和.cosim文件進行關(guān)聯(lián)配置。具體方法為：首先打開耦合仿真需要的.acf文件，對耦合仿真過程中涉及的模型名稱和耦合參數(shù)進行配置，文件配置前后結(jié)果如圖1.16所示。完成.acf文件配置后，再進行.cosim文件配置修改。由于.cosim文件是ADAMS軟件Co-simulation模塊運行所必需的文件，因此在修改時將“part_a”、“part_b”按照ADAMS軟件中待耦合部件實際名稱進行一次修改，參數(shù)修改情況如表1.3所示。完成相關(guān)腳本文件配置后，將修改好的配置文件導(dǎo)入ADAMS/Co-simulation模塊，即可進行ADAMS與EDEM的耦合。