PFC3D軟件在農業(yè)機械定性分析

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0引言

在機械機構研究當中，Pro／E、SolidWorks、UG、AutoCAD等，都發(fā)揮了相當重要的作用，在結構仿真方面也起到了不可或缺的作用。但是，這些軟件都是對整體結構之間進行機構分析，包括結構合理性和力學特性的分析。針對散粒體在運動過程中的運動軌跡以及實時的力學特性分析就顯得稍微弱了些，在這方面pfc3d就顯示了其獨有的特性，分析結果具有直觀顯示特性，能夠隨時反映出顆粒在不同狀態(tài)下的多種特性，可以通過曲線以及力的矢量形態(tài)直觀觀察。很多農業(yè)機械研究工作者利用該軟件進行了與散粒體有關的機械研究，并且取得了很好的成果，主要是在種子篩選、犁在土壤中的運動、混料裝置等方面的研究。例如：中國水電顧問集團華東勘測設計研究院做的PFC模擬筑壩粗粒料力學特性的有效性分析、河北科技大學機械工程學院趙月靜老師做的基于PFC的振動篩分過程三維數值模擬、佳木斯大學周海波老師做的不同犁面設計力學分析等。這些成果都顯示了PFC3D在這方面的優(yōu)越性。

1PFC3D軟件簡介

PFC（ParticalFlowCode）是由ITASCA集團（設有ITASCA中國分公司）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、大小的平面圓盤或三維球體的運行及其相互作用。除了模擬大體積流動和混合材料力學研究外，因為介質的基本構成為顆粒（Particle），顆粒為剛性體，但在力學關系上允許重疊，以模擬顆粒之間的接觸力。顆粒之間的力學關系非常簡單，即牛頓第二定律。在顆粒的宏觀力學特性受到影響時，顆粒隨著受力條件的不同，會表現出不同的狀態(tài)以及所處位置的變化。因此，在PFC計算中不需要給材料定義宏觀本構關系和對應的參數，這些傳統(tǒng)的力學特性和參數通過程序自動獲得，而定義它們的是顆粒的幾何和力學參數，如顆粒級配、剛度、摩擦力、粘結介質強度等微力學參數。PFC涉及的領域包括巖土工程、材料疲勞損傷、農業(yè)、制造、傳送、篩選、分裝等。

2PFC3D軟件在犁面受力測試上的應用

河南農學院曾經做過電測犁面受力，這種方法比較精確，但是對試驗者的操作要求很高，一旦試驗做得效果不是很好，得出的數據偏差會很大，同時也受環(huán)境影響比較大，不利于犁面真實受力的測得。而PFC則可以克服這些缺點，可以很準確地測出犁體受力隨時間變化過程。

2．1建模

將犁面簡化成面體結構，土壤是用ball在指定范圍內生成1500個小球放在土槽內，并且上表面用壓實力使其密實度增大。然后在程序開始運行時，將上表面的壓實力撤銷。最后使用hist指令在規(guī)定犁體的速度和耕深的同時去測量犁面受力。

2．2運動測試分析

犁體運動的動力來源是機器的牽引力，因此我們給犁面一定的速度使其在土壤顆粒內運行，從而測繪出犁面的受力，并模擬出土壤顆粒之間力的矢量結構，獲得不同運動速度與耕深的時間與力的曲線圖和土壤顆粒矢量圖。這樣結合不同工況下的力學曲線圖和犁體材質以及形狀就能更好地設計出符合實際的犁體結構以及運動參數。

3結束語

PFC3D內嵌程序語言FISH功能強大，可允許用戶根據自身需求定義新的變量和函數，進行后續(xù)工況分析和變量、視圖處理等相關操作。在PFC3D中可以方便地研究顆粒的運動狀態(tài)，如速度、位置等，從而很方便地對機械運轉的速度以及頻率等參數進行調整，設計出更接近實際應用的機械結構及參數配置。因此，做顆粒和其他與顆粒相關機械結構方面的檢測與試驗更具備節(jié)省材料、簡化試驗、直觀、數字化等優(yōu)點，這也是現如今被大部分農業(yè)機械設計者應用的主要原因。筆者認為，在今后會有更多的科研工作者應用它，并且PFC3D也將會被應用到更多的領域。

作者：趙春龍 楊傳華 周海波 薛貝貝 單位：佳木斯大學機械學院