【《圆捆打捆机捡拾机构动力学仿真分析案例》11000字】

圆捆打捆机捡拾机构动力学仿真分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u32286圆捆打捆机捡拾机构动力学仿真分析案例 182791.1圆捆机捡拾器组成结构与工作原理 2243701.1.1圆捆打捆机组成结构与工作原理 2223321.1.2圆捆打捆机捡拾机构组成结构与工作原理 286401.1.3弹齿式捡拾机构工作原理 3309681.2弹齿滚筒式捡拾器动力学分析 489471.1.1弹齿尖端运动轨迹及规律 4231121.1.2圆捆打捆机捡拾效果的影响因素分析 620231.1.3捡拾机构的力学分析 7271071.3圆捆打捆机仿真软件选择 1046991.3.1CATIA软件简介 10166091.3.2ADAMS软件简介 10173931.3.3EDEM软件介绍 11152401.4圆捆打捆机多刚体动力学耦合仿真方法 1231701.4.1耦合仿真模型建立流程 1213191.4.2多体动力学的数字建模 12251651.4.3离散元秸秆建模 1361881.5圆捆打捆机整机三维造型 14254851.5.1圆捆打捆机关键部件建模 14316461.5.2整机虚拟装配 15167011.6秸秆覆盖模型的建立 1645061.6.1田间采样 1673731.6.2秸秆模型的建立 1898611.7圆捆打捆机耦合模型建立 20263291.7.1耦合脚本文件配置 20120531.7.2圆捆打捆机耦合模型 21通过对圆捆打捆机捡拾机构进行建模与运动仿真分析，圆捆打捆机在工作状态下的运动包含圆捆机沿前进方向的水平运动、弹齿在复合力作用下的摆线运动、各成型钢辊的运动不一致，在对圆捆机各关键部件进行分析时，如若使用传统方法进行计算分析，不仅因为计算量打导致难以获得准确的运动规律，而且对圆捆机工作过程在不同时刻的运动状态也难以进行描述。因此使用CATIA软件对捡拾机构进行建模仿真，既能够直接观察各运动部件的运动状态，还能使各工作部件根据需要设置相应的参数值，对仿真结构进行分析后，有利于获得最优解。1.1圆捆机捡拾器组成结构与工作原理1.1.1圆捆打捆机组成结构与工作原理如图1.1所示为圆捆打捆机的组成结构，该机主要由牵引架、主机架、压草捆、捡拾器、喂入机构、圆捆成型室、缠网装置、行走轮等组成。作业时，由拖拉机牵引，捡拾器3的弹齿将地面上的秸秆捡起，输送到喂入机构4中，喂入机构4的秸秆经刀辊作用后将秸秆向成型室7输送，成型室7的秸秆沿成型机构进行转动，当上升至一定的高度后，在重力作用下回落，形成草捆的捆芯。随着打捆机的前进，捡拾的秸秆不断增加，草捆的直径不断增大，当成型室充满秸秆时，成型机构的转动会对草捆进行加压，当草捆紧实度达到设定值时，缠网机构5对草捆进行缠网，缠网结束后，打开成型室的后门开口，圆草捆从打捆机后门上滚落，落到地面上。1、牵引架，2、压草捆，3、捡拾器，4、喂入机构，5、缠网装置，6、主机架，7、成型室，8、行走轮图1.1打捆机的组成结构Fig.1.1Structureofbaler1.1.2圆捆打捆机捡拾机构组成结构与工作原理弹齿滚筒式捡拾器作为打捆机作业中的一个重要部件，其功能主要是将散落在田间的秸秆进行捡拾提升并输送到喂入机构中，其结构如图1.2所示。弹齿滚筒式捡拾机构安装在圆捆打捆机机架上，其中弹齿固定连接在弹齿杆上，市场上典型的捡拾器主要包含四排或五排弹齿为主。由三段圆弧和一段直线组成的凸轮盘固定在外侧支承板上，两个滚筒圆盘分别固定在捡拾器轴7的两端，并在捡拾器轴7的力作用下一起转动。弹齿杆5一端固定安装弹齿1，另一端通过轴承周向均布安装在滚筒圆盘上，弹齿杆5和弹齿1在滚筒圆盘的带动下进行旋转运动。滚轮3与曲柄6安装后固定在弹齿杆的一端，在弹齿杆5的运动过程中带动滚轮3在固定轨道槽中滚动。1、弹齿，2、护板，3、滚轮，4、轨道槽板，5、弹齿杆，6、曲柄，7、捡拾器轴，8、固定盘图1.2弹齿滚筒式捡拾机构结构图Fig1.2Structurediagramofspringtoothdrumpickupmechanism1.1.3弹齿式捡拾机构工作原理捡拾机构通过安装在滚筒圆盘上的弹齿将散布在田间土地上的农作物秸秆经捡拾后送入圆捆机的成型室中打捆，弹齿齿端的运动轨迹取决于滚轮的运动轨迹，因此滚轮槽的结构决定了捡拾机构的运动过程。图1.3所示为弹齿滚筒式捡拾机构滚轮运动轨迹图，滚轮运动轨迹由四部分组成，其中ac为捡拾段，ce为举升段，eg为推送段，ga为空行段，弹齿在滚轮带动下，完成秸秆的捡拾、举升和推送过程。当滚轮在ac段运动时，弹齿伸出从地面捡拾散落的农作物秸秆，并将秸秆向搂起。当滚轮在ce段运动时，弹齿推动秸秆向上运动到护板上方的喂入辊中。当滚轮在eg段运动时，弹齿杆向护板方向回缩，同时弹齿相对速度下降，从而保证秸秆与弹齿顺利脱离，避免秸秆堵塞现象发生。图1.3弹齿滚筒式捡拾机构滚轮运动轨迹图Fig1.3Trackdiagramofrollermotionofspringtoothdrumpickupmechanism1.2弹齿滚筒式捡拾器动力学分析本文研究的高密度圆捆打捆机捡拾机构采用弹齿滚筒式捡拾机构，对其性能要求需满足以下几点：捡拾效率高，捡拾机构工作后地面剩余秸秆少，捡拾率应不高于2%；捡拾过程中应减少对秸秆的冲击，避免捡拾过程中秸秆混入过多的杂志；捡拾过程中，秸秆从地面捡拾后并送入喂入辊后应能及时与弹齿分离，避免秸秆拖带和堵塞现象发生。1.1.1弹齿尖端运动轨迹及规律捡拾机构工作过程中，弹齿受到由主轴传递过来的旋转力，该旋转力驱动圆盘带动弹齿杆进行转动。同时圆捆打捆机在牵引拖拉机的作用下水平移动，因此弹齿在随弹齿杆转动的同时，还受到圆捆机前进方向的牵引力。由于滚轮与滚轮槽形成的运动副和配合间隙的因素，导致弹齿运动过程中会有摆动。综上所述，弹齿在工作过程中所受到的以上三个力的合力作用，共同约束弹齿的运动轨迹。在对弹齿运动轨迹进行实际分析过程中，因滚轮槽原因导致的弹齿摆动对捡拾作业影响较小，故在本文中将忽略该摆动力，仅考虑弹齿运动中受到的旋转力和水平牵引力的作用影响。弹齿运动轨迹如图1.4所示，弹齿的运动由竖直方向的旋转和水平方向的移动合成，运动轨迹为竖直平面内的摆线运动，其运动方程如下所示：x=Vt+R∙Vx=Vt式中Vt——打捆机速度R——曲柄半径ω——曲柄回转角速度t——时间Vx——弹齿水平速度Vy捡拾机构工作过程中，需保证秸秆在捡拾阶段不漏检、提升阶段不掉落和推送阶段迅速分离不缠绕堵塞，因此为保证捡拾机构工作性能，在弹齿运动到回转最高点时，其水平分速度应等于零。即，Vx=Vt−假设弹齿线速度与打捆机速度之比为λ,λ=R´∙ω´式中，R´为弹齿回转半径ω´为弹齿角速度本文中，取弹齿角速度ω´与曲柄角速度ω近似相等，故λ的方程可修改为如下：λ=R´∙ω1、弹齿，2、护板，3、滚轮，4、轨道槽板，5、弹齿杆，6、曲柄，7、捡拾器轴，8、固定盘图1.4弹齿运动轨迹Fig1.4Trajectorydiagramofspringteeth为保证捡拾机构对秸秆的推送效果，通过对λ取值分析后发现，只有当λ>1时，弹齿端部的运动轨迹为余摆线才能保证在推送阶段，弹齿的水平分速度方向与圆捆机前进方向相反，从而保证秸秆具有良好的推送效果，使捡拾机构能够正常作业。通过对滚轮槽、曲柄和弹齿的运动过程分析，并经计算后，获得弹齿端部运动方程。如下所示：XG=VVXG=a（2-8）式中，XG——弹齿水平位移YVXVYGaaYGl——弹齿原长φ——凸轮运动摆角φ0——凸轮初始γ——曲柄与弹齿之间的夹角其中，初始摆角φ0的表达公式如下所示，φ0=arccosR2式中，R0——基圆半径1.1.2圆捆打捆机捡拾效果的影响因素分析捡拾机构的工作质量取决于捡拾后地面秸秆的残余量剩余情况，地面秸秆残余量越少，说明捡拾机构工作质量越好。在图1.4中可以看出A点为相邻的两排弹齿尺端的运动轨迹的交点，B、C为相邻两弹齿齿端在运动过程中的最低点。图中封闭阴影区域ABC为弹齿在工作过程中所不能覆盖的区域，这一区域被称为捡拾遗漏区，漏捡区的面积计算如下。设定弹齿齿端的运动轨迹方程（2-10）则相邻弹齿齿端的轨迹方程为（2-11）从而得出漏捡区面积S为（2-12）式中，vm——前进速度z——齿杆数XB、XC——两轨迹方程的最低点横坐标XA——两轨迹方程交点的横坐标y0——为相邻弹齿端部的垂直方向位移yC——弹齿端部位于最低点时垂直坐标秸秆在捡拾过程中，捡拾阶段需避免因弹齿冲击力度过大导致秸秆破损，在秸秆提升阶段需使弹齿运动速度尽可能保持不变，避免秸秆在弹齿作用下提升平稳和秸秆不掉落，推送阶段需使弹齿端部相对速度方向向下，避免秸秆堵塞。而弹齿运动轨迹受轨道槽形状影响，当弹齿端部加速度过大时会导致轨道槽磨损加剧。因此，结合图1.4弹齿运动轨迹和漏捡区计算公式2-12，捡拾机构工作质量受到漏捡区面积、轨道槽参数和弹齿结构等因素影响。1.1.3捡拾机构的力学分析圆捆机捡拾机构通过弹齿在竖直平面内的旋转运动，将与其接触的秸秆经过捡拾、提升和推送等阶段送入圆捆机的喂入辊中。秸秆进入成型室前，弹齿与秸秆之间必须始终保持接触状态，因此弹齿与秸秆在接触期间所产生的作用力大小将会直接影响圆捆机的捡拾工作质量。如在弹齿捡拾阶段，如果秸秆与弹齿之间的作用力过小，将导致秸秆无法被捡拾起来，导致漏检，反之将导致秸秆破碎无法捡拾。在弹齿提升阶段，秸秆受到接触作用力、摩擦力和重力等作用力的作用，其合力作用的结果将影响秸秆的提升效果，严重时可能导致秸秆在提升过程中滑落现象的发生。因此，在本文研究中，将主要研究秸秆与弹齿初始接触阶段和秸秆提升阶段两个阶段的力学分析。秸秆与弹齿初始接触阶段，圆捆机捡拾机构的弹齿随主轴做旋转运动，从护板伸出时即具有初始速度，弹齿与秸秆接触的初始时刻，秸秆在弹齿力的作用下迅速由静止状态加速至弹齿运动速度，完成秸秆的捡拾。由于秸秆密度小，在秸秆捡拾初始阶段秸秆与弹齿接触后，在受到弹齿力的作用后会产生明显的变形，在研究秸秆在捡拾和提升阶段的受力分析时，将秸秆看做柔性体，因此将秸秆捡拾初始阶段简化为单柔体系统的碰撞模型。假设在弹齿与秸秆接触前，弹齿与秸秆在水平方向上的速度分别为v1、v2，其中，v2v1´=v1v2´=v2式中，v1——未碰撞时弹齿水平速度v2——未v1´——已碰撞弹齿水平速度v2´——已碰撞秸秆水平速度m1m2e——碰撞系数圆捆机实际捡拾过程中，弹齿与秸秆短暂接触，弹齿在接触秸秆前后速度变化值可忽略不计，因此，在进行计算式将弹齿水平速度以v1代入，并对工作过程影响不大的自重、空气阻力等因素进行忽略不计，进而获得秸秆在接触瞬间被捡拾的速度条件如下所示：v2´≤v1经对上述公式进行整理计算后可得：1+em1m1+m2其中，碰撞恢复系数e的值与碰撞速度成正比例关系，当弹齿与秸秆接触瞬间，如弹齿速度过大将可能增大漏检率，因此弹齿绝对速度值应不超过3m/s。秸秆提升阶段，秸秆在自身重力和弹齿力的合力作用下，秸秆和弹齿之间可能发生相对运动，导致秸秆掉落。因此，以秸秆为研究对象，忽略秸秆形状，假设秸秆为质点，分析秸秆不掉落的临界条件。通过对秸秆进行运动学分析可知，a=ae+a式中，a——合加速度ae——秸秆受到的牵引加速度ar——秸秆受到的相对加速度ak——秸秆受到的科氏加速度图1.5无相对运动时质点受力图Fig1.5Forcediagramofparticleswithoutrelativemotion秸秆提升阶段，忽略对计算影响不大的秸秆滑动因素。此时秸秆的ar、vr和ak均取零值aa=ae=p´ω´由图1.5可以看出，在秸秆提升阶段，秸秆在弹齿上的相对位置可以由M点表示，弹齿杆通过Q点与曲柄进行联结。由达朗贝尔原理可知，秸秆在提升阶段的受力过程需考虑秸秆自身重量，同时对秸秆提升过程影响不大的空气阻力和摩擦力进行忽略不计，此时可以获得秸秆在弹齿作用下平稳提升且不会产生掉落时的秸秆受力情况如下所示：Ff−mgsinγ−其中，m——秸秆自身重量Ff——静摩擦力，Ff=FN——弹齿本身具有的弹力Fg——秸秆运动惯性力，γ——曲柄夹角β——弹齿与秸秆间夹角根据图1.5分析可得相互关系如下所示：γ´−γ=β+β´其中，sinγ=sinγ+β=H+H´故，β=arcsinH+H´psinγ´=HRsinβ=p0根据以上各式可知，秸秆提升阶段，秸秆与弹齿之间的相对运动受到弹齿端部的角速度ω´，秸秆与连接点Q之间的距离p1.3圆捆打捆机仿真软件选择1.3.1CATIA软件简介CATIA软件是法国达索飞机公司在20世纪70年代开发的CAD/CAM软件，全称为“ComputerAidedTri-DimensionalInteractiveApplication”的缩写。该软件在机械制造、汽车制造、造船、航空航天等行业被广泛应用，设计领域涵盖了所有的产品设计与制造。该软件给用户提供了产品开发工作环境，该环境包含了整个产品开发过程，通过此环境，工作人员可以对产品在全开发流程下进行所有的实时仿真与分析，涉及了产品开发的各个环节。采用良好的人机交互界面，为工程技术人员与客户沟通交流提供了必要的通信基础，同时便于相关人员的协作开发。使用该软件可以完成产品从概念设计到详细设计，再到具体的工程分析以及后期的产品生产和使用维护，都可以在该软件中进行建模分析。其强大的软件使用功能涵盖了产品的整个开发过程。其强大的三维实体造型功能，更是能够让产品设计人员在电脑上完成产品的零件三维建模和虚拟装配，极大地缩短了产品的开发时间和流程。同时在三维模型上通过设置相关约束、定义相关参数，在产品三维模型上即可完成对部件进行运动干涉分析和受力分析，了解产品结构特点和运动变化情况，便于设计人员及时发现问题并解决问题，降低了设计人员的工作强度，提高了产品设计效率。1.3.2ADAMS软件简介ADAMS由美国机械动力公司开发，属于虚拟样机分析软件，该软件又名机械系统动力学自动分析(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystems)。ADAMS软件采用目前广泛使用的交互式图形处理环境，便于使用者进行人机交互。通过软件系统自带的零件零件库、约束库和力库，使用者能够在软件上快速完成机械系统模型创建，通过采用参数化建模的方法创建的系统三维模型可以模拟实际工作情况添加构建受力和约束情况。具有多模块单元，可以完成不同类型的仿真分析需求。特有的求解器具有多种多刚体系统动力学理论支撑，比如其中的拉格朗日方程方法。通过对系统模型建立系统动力学方程，在该软件中对建立的虚拟模型系统，采用虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，可以获得该机械系统多种特性输出曲线，如输出位移、速度、加速度和反作用力曲线等。目前，ADAMS软件的广泛使用，通过在预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等方面进行仿真分析，为使用者提供了极大的便利性。ADAMS软件具有两面性，其既是虚拟样机分析的应用软件，使用者而可以通过软件自身具有的强大的仿真分析能力完成机械系统的力学分析，包括静力学、运动学和动力学分析。又可以把该软件作为虚拟样机分析工具，通过其开放性的程序特点，针对不同的使用者，可以根据自身需求在基础版本上开发出适合特定行业需求的软件，便于后期更有针对性的完成一些特殊行业的仿真分析需求，作为二次开发平台，其特有的程序结构为后期用户开发提供了极大的便利性和使用可靠性。1.3.3EDEM软件介绍EDEM是全球首个采用多用途离散元素法对颗粒进行处理和生产过程进行仿真和分析的CAE建模软件，在该软降中，通过颗粒工厂对所需仿真的材料进行颗粒建模，通过其强大的参数化建模方式，完成颗粒的力学和物理特性的描绘与添加，及时构建颗粒的力学性能、物料性质等相关物理特性。对于散状物料加工，采用颗粒建模方法进行模拟，能够让使用者快速获得颗粒本身特性，同时便于使用者掌握颗粒体的基本物理特性和力学特性，同时优化散料处理设备的设计和测试。EDEM软件由三个模块组成，分别是前处理模块（Creator）、求解器（Simulator）、后处理模块三个模块，可对应完成模型创建、仿真求解和数据分析功能。用户通过前处理模块（Creator）完成颗粒建模，设置颗粒生成方式，也可以定义或导入并完成CAD模型的设置。通过求解器（Simulator）完成颗粒的动力学和场力的计算，通过与其他工具共同进行耦合分析，实现质量和热量交换。通过后处理模块（Analyst）对数据进行提取和导出，利用3D图片和动画，结合相应图标分析工具，完成数据的可视化操作。EDEM软件与主流CAE软件结合进行颗粒系统与流体、机械结构、电磁场耦合仿真。同时EDEM还可以与FEA工具耦合，在耦合仿真模型上设置工作参数，添加相关载荷，完成对设计零件进行仿真分析，将结果直接导出到所选的结构分析工具中。1.4圆捆打捆机多刚体动力学耦合仿真方法1.4.1耦合仿真模型建立流程目前对ADAMS与EDEM进行耦合采用的方法主要有两种。第一种是安装由海基公司自主开发的EAlink插件，将EDEM中的机构模型与ADAMS中的模型数据进行耦合建模，通过耦合仿真完成相应的计算和分析。具有高速率完成振动和耐久性等多模块协同分析。第二种是采用ADAMS软件的Co-simulation模块与EDEM软件进行耦合仿真分析，此种方法无须安装额外插件，具备使用便捷，耦合效果好的特点。本文采用ADAMS软件的Co-simulation模块与EDEM软件进行耦合仿真分析。ADAMS和DEM两软件建立耦合的关键是建立模型在两软件之间的交互点，这主要是通过利用ADAMS中捡拾器模型的Marker点来设置GFORCE，再通过配置建立ADAMS和EDEM协同仿真拓扑的脚本文件，来建立ADAMS和DEM之间的运动和力的数据传递。在进行ADAMS和DEM耦合仿真时，本文选用的多体动力学软件和离散元软件分别是ADAMS2019和DEM2018，耦合仿真的模型的设置过程如图1.6所示。ADAMS软件中主要进行捡拾器的运动学设置，秸秆模型由DEM软件提供，耦合仿真的过程在DEM软件中能够实时更新，可以观察到捡拾过程的运动状态。图1.6ADAMS—EDEM耦合仿真流程Fig1.6Adams-edemcouplingsimulationprocess1.4.2多体动力学的数字建模进行捡拾器的多刚体动力学建模时，根据CATIA建立的机械系统模型特点，按照拉格朗日乘子法原理要求，通过对每个刚体进行分析后建立相应的拉格朗日方程和对应的约束方程[19]，ADAMS在进行求解时，通过将二阶微分方程采用数学方法调整为一阶微分方程，利用一阶微分方程求解方法来求解,则可得多刚体系统的6个一阶的力学方程（力和加速度的关系）为：（2-23）6个一阶的运动学方程为：（2-24）系统的外力方程和系统的约束方程为：（2-25）代数微分方程定义如下式：（2-26）式中：把看成状态向量，则系统的方程可用下式表示：（2-27）式中：u—广义坐标的微分，q—笛卡尔广义坐标，f—外力和约束，t—时间，K—机械系统动能；qj—系统广义坐标；λi—拉格朗日乘子列阵；Fj—广义坐标方向的广义力；Ψi—系统的约束方程,x,y,z—直角坐标；Ψ，φ，θ—坐标对应欧拉角。1.4.3离散元秸秆建模为了分析动态条件下的捡拾器与秸秆之间的相互作用，采用多体动力学和离散元软耦合的方法来开展捡拾器的性能仿真分析。运用离散元对秸秆颗粒进行建模时，由于秸秆量较大，结合计算机的仿真能力和前人成功的经验[13,19]，选取Hertz-Mindlin颗粒接触模型来进行秸秆颗粒的建模。利用离散元的Hertz-Mindlin颗粒接触模型进行物料颗粒建模[20-21]，其原理如图1.7所示。接触参数值中主要包括一般作用力Fn和一般阻尼作用力Fnt，其计算方法如下：（2-28）（2-29）式中：Ek是杨氏模量，Rk是当量半径，n是一般重叠，Sn是一般刚度，mk是质量vrel是粒子i和粒子j之间相对速度的法向分量。1、质点刚度，2、阻尼，3、摩擦力图1.7颗粒接触模型Figure1.7particlecontactmodel1.5圆捆打捆机整机三维造型针对圆捆打捆机相关结构进行仿真分析，需完成正确的整机三维造型。圆捆打捆机零件数量多，结构复杂，如果直接在ADAMS软件中建立模型，将会导致无法精确绘制出相关零部件结构，因此在本文中将利用目前市场上主流的三维制图软件完成圆捆打捆机的整机建模，再导入ADAMS软件和EDEM软件进行相关的仿真分析。目前主流的三维设计软件品类众多，为了更好地完成后续耦合仿真，本文中采用CATIA软件对圆捆打捆机整机进行建模。通过CATIA软件强大的三维制图功能，在该软件中分别对圆捆打捆机捡拾机构、成型机构、传动机构和机架等主要部件进行零部件绘制和整机装配。1.5.1圆捆打捆机关键部件建模为了保证捡拾效率高、漏捡率低，结合目前秸秆捡拾过程中最常采用的捡拾装置，本文采用弹齿滚筒式捡拾机构，设定工作幅宽900mm，辊筒半径110mm，曲柄长度56mm，每根弹齿杆上均布12个弹齿，采用4根弹齿杆结构，这种结构可以很好地保证秸秆捡拾效果，圆捆打捆机捡拾机构如图1.8所示。图1.8圆捆打捆机捡拾机构Fig1.8Pickupmechanismofroundbaler成型机构采用12个成型辊筒在成型室中均匀分布，参考现有圆捆打捆机成型钢辊尺寸，确定本机构钢辊直接为150mm，为保证秸秆在成型钢辊中的运动效果，增大钢辊与秸秆间的摩擦系数，在每根成型钢辊上安装棱状突起，确保秸秆在成型机构中运动时，不会发生缠绕或堵塞现象，成型钢辊位置布置图及结构如图1.9和1.10所示。图1.9成型钢辊位置布置图Fig1.9Positionlayoutofformingsteelroll图1.10成型钢辊结构图Fig1.10Structuraldrawingofformingsteelrol1.5.2整机虚拟装配完成圆捆打捆机各部件建模后，在CATIA软件中对圆捆打捆机进行虚拟装配。通过虚拟装配过程，及时发现并修改相互干涉的零部件。同时根据装配要求，及时调整零部件尺寸，使各部件能够按照装配要求正确组装。因为采用三维绘图软件虚拟装配，避免了实物装配不匹配时造成的经济损失，同时虚拟装配后的模型便于后续仿真分析软件的直接调用，极大地提高了设计生产效率，圆捆打捆机整机三维模型如图1.11所示。图1.11圆捆打捆机整机三维模型Fig1.11Threedimensionalmodelofroundbaler1.6秸秆覆盖模型的建立1.6.1田间采样选取水稻秸秆为研究对象。为提高仿真的精确度，对经过联合收割机粉碎抛撒后的水稻秸秆的覆盖量和长度进行测量，采用1×1m2取样进行随机测定。图1.12田间采样Fig1.12Fieldsampling分别选取三组进行测量，得出秸秆覆盖量的均值为0.55kg/m2，在进行秸秆长度测量时，选取三组单个平方米内的水稻秸秆长度进行分类，将小麦的秸秆长度分成四种区间，分别为≤70、70~150、150~230、＞230mm，不同长度区间的小麦秸秆分类如图1.13所示，计算得出不同秸秆长度的比例如表2所示。在进行仿真时，将上述四种区间的水稻秸秆长度分别设置为45、110、190、和270mm，所有水稻秸秆均选择随机下落。≤7070~150150~230≥230图1.13秸秆长度分类图Fig1.13Strawlengthclassificationchart在EDEM软件中进行秸秆的前处理设置时，选取水稻秸秆为研究对象。为提高仿真的精确度，对经过联合收割机粉碎抛撒后的水稻秸秆的覆盖量和长度区间进行测量，采用1×1m2取样框随机选取三组进行测量，得出秸秆覆盖量的均值为0.65kg/m2，在进行秸秆长度测量时，选取三组单个平方米内的水稻秸秆长度进行分类，将秸秆长度分成5种区间，分别为≤70、70-150、150-230、230-310和＞310mm，不同长度区间的水稻秸秆所占单位平米内的质量如图1.14所示。在进行仿真时，将上述5种区间的水稻秸秆长度分别设置为45、110、190、270和350mm，所有水稻秸秆均选择随机下落。图1.14秸秆质量分布Fig.1.14Strawmassdistribution1.6.2秸秆模型的建立本文采用EDEM2019软件模拟秸秆从地面覆盖至成型机构打捆成型过程进行运动建模仿真，考虑到草捆在成型机构中的秸秆运动速度和秸秆质量取决于捡拾机构前期捡拾效率，因此，本文中将对秸秆从地面覆盖状态捡拾与秸秆在成型机构中成捆进行建模仿真，以期获得圆捆打捆机真实成捆状态。为了更好地模拟土壤和秸秆在仿真时的真实效果，确定土壤颗粒半径为4mm，土壤颗粒间相互作用采用Hertz-Mindlin颗粒模型模拟。由于秸秆为谷物收割后剩余的茎叶或藤蔓部分，其主要组成为有机化合物，从材料学角度来看存在各向异性。秸秆作为柔性体，在打捆机实际作业中，秸秆除了按照捡拾和成型规律进行运动外，其自身因为受力而发生形状改变，导致缠辊、堵塞等现象发生。因此，在EDEM2019中对秸秆进行柔性体建模仿真时具有较大难度，无法准确实现秸秆在捡拾和成型过程中其自身形状发生变化后对其运动规律和受力规律变化进行仿真。本文按照取样秸秆长度，采用SingleSphere模型建立半径为3mm，球心间距为3mm的长线性秸秆模型，如图1.15所示。图1.15秸秆颗粒模型Fig.1.15Strawparticlemodel采用Adams和EDEM软件进行耦合仿真分析时，需对材料参数和接触参数进行配置，包括捡拾和成型机构、秸秆、土壤等材料的密度、剪切模量和泊松比等，同时还需要对秸秆与秸秆、秸秆与土壤、捡拾与成型机构和秸秆之间的动静摩擦系数和回复系数等进行配置如表1.1、表1.2所示。表1.1秸秆与土壤相关材料参数Tab1.1Strawandsoilrelatedmaterialparameters特征数值秸秆颗粒半径（mm）土壤颗粒半径（mm）秸秆密度(kg·m-3)土壤密度(kg·m-3)秸秆泊松比土壤泊松比秸秆剪切模量（Pa）土壤剪切模量（Pa）秸秆-秸秆静摩擦因数土壤-土壤静摩擦因数秸秆-秸秆滚动摩擦因数土壤-土壤滚动摩擦因数6.05.024118500.40.381×1061×1060.450.60.250.4表1.2圆捆打捆机模型材料参数Tab1.2Materialparametersoftheroundbalermodel特征数值密度（Kg/m37.801×103杨氏模量(N/m21.07×1011泊松比0.291.7圆捆打捆机耦合模型建立1.7.1耦合脚本文件配置采用ADAMS自带的Co-simulation模块与EDEM软件进行耦合仿真分析，需对相关的.acf文件和.cosim文件进行关联配置。具体方法为：首先打开耦合仿真需要的.acf文件，对耦合仿真过程中涉及的模型名称和耦合参数进行配置，文件配置前后结果如图1.16所示。完成.acf文件配置后，再进行.cosim文件配置修改。由于.cosim文件是ADAMS软件Co-simulation模块运行所必需的文件，因此在修改时将“part_a”、“part_b”按照ADAMS软件中待耦合部件实际名称进行一次修改，参数修改情况如表1.3所示。完成相关脚本文件配置后，将修改好的配置文件导入ADAMS/Co-simulation模块，即可进行ADAMS与EDEM的耦合。