PFC3D软件在农业机械定性分析

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0引言

在机械机构研究当中，Pro／E、SolidWorks、UG、AutoCAD等，都发挥了相当重要的作用，在结构仿真方面也起到了不可或缺的作用。但是，这些软件都是对整体结构之间进行机构分析，包括结构合理性和力学特性的分析。针对散粒体在运动过程中的运动轨迹以及实时的力学特性分析就显得稍微弱了些，在这方面pfc3d就显示了其独有的特性，分析结果具有直观显示特性，能够随时反映出颗粒在不同状态下的多种特性，可以通过曲线以及力的矢量形态直观观察。很多农业机械研究工作者利用该软件进行了与散粒体有关的机械研究，并且取得了很好的成果，主要是在种子筛选、犁在土壤中的运动、混料装置等方面的研究。例如：中国水电顾问集团华东勘测设计研究院做的PFC模拟筑坝粗粒料力学特性的有效性分析、河北科技大学机械工程学院赵月静老师做的基于PFC的振动筛分过程三维数值模拟、佳木斯大学周海波老师做的不同犁面设计力学分析等。这些成果都显示了PFC3D在这方面的优越性。

1PFC3D软件简介

PFC（ParticalFlowCode）是由ITASCA集团（设有ITASCA中国分公司）研发的颗粒流分析程序，有PFC2D和PFC3D两种，特别适用于模拟多种性状、大小的平面圆盘或三维球体的运行及其相互作用。除了模拟大体积流动和混合材料力学研究外，因为介质的基本构成为颗粒（Particle），颗粒为刚性体，但在力学关系上允许重叠，以模拟颗粒之间的接触力。颗粒之间的力学关系非常简单，即牛顿第二定律。在颗粒的宏观力学特性受到影响时，颗粒随着受力条件的不同，会表现出不同的状态以及所处位置的变化。因此，在PFC计算中不需要给材料定义宏观本构关系和对应的参数，这些传统的力学特性和参数通过程序自动获得，而定义它们的是颗粒的几何和力学参数，如颗粒级配、刚度、摩擦力、粘结介质强度等微力学参数。PFC涉及的领域包括岩土工程、材料疲劳损伤、农业、制造、传送、筛选、分装等。

2PFC3D软件在犁面受力测试上的应用

河南农学院曾经做过电测犁面受力，这种方法比较精确，但是对试验者的操作要求很高，一旦试验做得效果不是很好，得出的数据偏差会很大，同时也受环境影响比较大，不利于犁面真实受力的测得。而PFC则可以克服这些缺点，可以很准确地测出犁体受力随时间变化过程。

2．1建模

将犁面简化成面体结构，土壤是用ball在指定范围内生成1500个小球放在土槽内，并且上表面用压实力使其密实度增大。然后在程序开始运行时，将上表面的压实力撤销。最后使用hist指令在规定犁体的速度和耕深的同时去测量犁面受力。

2．2运动测试分析

犁体运动的动力来源是机器的牵引力，因此我们给犁面一定的速度使其在土壤颗粒内运行，从而测绘出犁面的受力，并模拟出土壤颗粒之间力的矢量结构，获得不同运动速度与耕深的时间与力的曲线图和土壤颗粒矢量图。这样结合不同工况下的力学曲线图和犁体材质以及形状就能更好地设计出符合实际的犁体结构以及运动参数。

3结束语

PFC3D内嵌程序语言FISH功能强大，可允许用户根据自身需求定义新的变量和函数，进行后续工况分析和变量、视图处理等相关操作。在PFC3D中可以方便地研究颗粒的运动状态，如速度、位置等，从而很方便地对机械运转的速度以及频率等参数进行调整，设计出更接近实际应用的机械结构及参数配置。因此，做颗粒和其他与颗粒相关机械结构方面的检测与试验更具备节省材料、简化试验、直观、数字化等优点，这也是现如今被大部分农业机械设计者应用的主要原因。笔者认为，在今后会有更多的科研工作者应用它，并且PFC3D也将会被应用到更多的领域。

作者：赵春龙 杨传华 周海波 薛贝贝 单位：佳木斯大学机械学院