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0引言

在機械機構(gòu)研究當中，Pro／E、SolidWorks、UG、AutoCAD等，都發(fā)揮了相當重要的作用，在結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)之間進行機構(gòu)分析，包括結(jié)構(gòu)合理性和力學(xué)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(xué)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(jié)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(nóng)業(yè)機械研究工作者利用該軟件進行了與散粒體有關(guān)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(shè)計研究院做的PFC模擬筑壩粗粒料力學(xué)特性的有效性分析、河北科技大學(xué)機械工程學(xué)院趙月靜老師做的基于PFC的振動篩分過程三維數(shù)值模擬、佳木斯大學(xué)周海波老師做的不同犁面設(shè)計力學(xué)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(shè)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(xué)研究外，因為介質(zhì)的基本構(gòu)成為顆粒（Particle），顆粒為剛性體，但在力學(xué)關(guān)系上允許重疊，以模擬顆粒之間的接觸力。顆粒之間的力學(xué)關(guān)系非常簡單，即牛頓第二定律。在顆粒的宏觀力學(xué)特性受到影響時，顆粒隨著受力條件的不同，會表現(xiàn)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(gòu)關(guān)系和對應(yīng)的參數(shù)，這些傳統(tǒng)的力學(xué)特性和參數(shù)通過程序自動獲得，而定義它們的是顆粒的幾何和力學(xué)參數(shù)，如顆粒級配、剛度、摩擦力、粘結(jié)介質(zhì)強度等微力學(xué)參數(shù)。PFC涉及的領(lǐng)域包括巖土工程、材料疲勞損傷、農(nóng)業(yè)、制造、傳送、篩選、分裝等。

2PFC3D軟件在犁面受力測試上的應(yīng)用

河南農(nóng)學(xué)院曾經(jīng)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(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)，土壤是用ball在指定范圍內(nèi)生成1500個小球放在土槽內(nèi)，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(nèi)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(jié)構(gòu)，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(jié)合不同工況下的力學(xué)曲線圖和犁體材質(zhì)以及形狀就能更好地設(shè)計出符合實際的犁體結(jié)構(gòu)以及運動參數(shù)。

3結(jié)束語

PFC3D內(nèi)嵌程序語言FISH功能強大，可允許用戶根據(jù)自身需求定義新的變量和函數(shù)，進行后續(xù)工況分析和變量、視圖處理等相關(guān)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(zhuǎn)的速度以及頻率等參數(shù)進行調(diào)整，設(shè)計出更接近實際應(yīng)用的機械結(jié)構(gòu)及參數(shù)配置。因此，做顆粒和其他與顆粒相關(guān)機械結(jié)構(gòu)方面的檢測與試驗更具備節(jié)省材料、簡化試驗、直觀、數(shù)字化等優(yōu)點，這也是現(xiàn)如今被大部分農(nóng)業(yè)機械設(shè)計者應(yīng)用的主要原因。筆者認為，在今后會有更多的科研工作者應(yīng)用它，并且PFC3D也將會被應(yīng)用到更多的領(lǐng)域。

作者：趙春龍 楊傳華 周海波 薛貝貝 單位：佳木斯大學(xué)機械學(xué)院