马铃薯和多体仿真的“江湖秩事”

本次可行性研究以马铃薯播种机为例而展开。为了建立这个模型，有必要建立一个与马铃薯颗粒流相互作用的橡胶弹性皮带，且皮带由电动振动装置进行激励，皮带的振动使马铃薯种子被分离到各自的勺杯中。

使用Simpack这个功能强大的MBS（多体系统）软件可以轻松实现机械部件的建模。主要问题在于，在Simpack中使用接触力元是否能够充分地表示大量类似颗粒物体之间的接触，其中一些还具有复杂的几何结构。

另一个挑战也随之浮现：在尽管模型有很多自由度的前提下，是否能通过使用适当的参数以及优化的求解器设置，将计算时间保持在可接受的范围内。

图1: 土豆播种机的多体仿真模型

高弹性皮带的建模是比较困难的挑战之一。通过把皮带离散为多个刚体段来实现（见图2）。大量的离散段可以更好地表现皮带的特性，并减少由多边形效应引起的带轮的振动激励，不过必须在离散段数和计算时间之间找到恰当的平衡。各离散段之间通过衬套力元耦合。为了后续定义皮带段和带轮之间以及皮带段和土豆颗粒之间的接触力，有必要使用长方体和圆柱体对这些离散段进行建模。

所有和土豆颗粒有接触的机械部件也必须在模型中建立。在本案例中，机械部件指的是拾取室和向下运动的通道。这些部件几何图形从CAD文件中获取并转换为obj格式文件。然后，机械部件和颗粒体之间的接触力可以使用PCM接触方法精确建模。

图2: 皮带建模示意图

本模型中使用了两种不同的接触类型。第一种是曲线-曲线接触，用于定义皮带段和带轮之间的接触。与其它几何接触类型相比，这种接触类型的计算时间能明显缩短。由于曲线-曲线接触只能在具有曲面的接触部件之间实现，因此每个皮带段必须含有上述的小圆柱体曲面。

此外，必须定义颗粒之间以及颗粒与机器部件之间的接触，这可以使用Simpack软件PCM方法实现。任何几何都可用于定义接触面，唯一的要求是接触面必须是三角形网格形式的文件格式，如obj、stl等。PCM接触允许接触面之间有多个接触，这是计算颗粒接触的先决条件。这种接触方法的另一个优点是高效的碰撞检测，因为不接触的表面对计算时间的影响很小。

这个播种机模型中接触力元的总数取决于颗粒的数量和皮带的离散程度。该模型含有108个皮带段和24个土豆颗粒，共有4309个接触力元。

由于所需的力元数量特别多，如果使用标准的Simpack 界面操作，生成模型将非常耗时。因此，为了自动生成Simpack的模型文件，一个高效、便捷的脚本被开发了出来。

所有的模型参数，如皮带速度和土豆数量，都是在脚本中预定义的。随后，执行该脚本生成用于仿真的模型下文件，这些文件生成以后可以直接运行。对模型的修改总是需要在脚本中修改。在创建新的仿真模型时，通常可以采用脚本，这能大大减少了建模所需的时间。

以土豆播种机为例，本文论证了Simpack在颗粒模型建模和仿真中的适用性。通过脚本的使用，大大缩短了建模时间。此外对比发现，仿真结果与试验测试值具有很高的一致性。同时考虑了作用在颗粒上的碰撞力随时间推移而产生的变化以及整个颗粒流的运动性能。

事实上，对于一些仿真模型，特别是那些颗粒较少的模型，可以不借助其它软件，仅在Simpack中就能对整个系统进行建模和仿真，在节约成本的同时，更高效、更便捷地提高产品的研发质量。