基于离散元法的新型CAE软件及其关键技术研究

在工农业生产领域，大量存在着颗粒材料与机械部件的接触作用，传统力学方法不能很好地解决这些机械部件的性能优化问题。本项目研究三维离散元法的边界建模方法、复杂形状颗粒和边界的邻居搜索及接触检测方法、颗粒和边界运动过程的仿真显示方法等关键技术，提出由机械部件的三维CAD模型（CAD软件设计图）建立其三维离散元法分析模型的方法和实边界与虚边界的概念，在此基础上实现三维CAD软件与自主研制的三维离散元法分析软件集成，从而构建一种集设计和性能分析评价于一体的新型CAE软件。该新软件的特点是：在设计阶段通过修改机械部件的CAD模型，能对不同结构和尺寸的机械部件进行性能分析和评价，由此实现机械部件结构方案和尺寸参数的优化；能通过机械部件的CAD模型进行机械部件工作过程的动态仿真，由此分析机械部件的工作机理，也可以发明新原理和新结构的机械部件，为相关机械部件的优化设计建立一种新方法和新手段。

在工农业生产领域，大量存在着颗粒材料与机械部件的接触作用和颗粒材料的流动过程，传统力学方法不能很好地解决这些机械部件的性能优化问题。本项目采用颗粒动力学方法——离散元法，研究颗粒材料与机械部件的接触作用和颗粒材料的流动过程，提出由机械部件的三维CAD模型（三维CAD软件设计图）建立其三维离散元法分析模型的方法和实边界与虚边界的方法，在对三维CAD软件（PRO/E、UG）进行二次开发的基础上，通过人机交互读取与颗粒材料接触的机械零部件表面，并添加运动属性和材料特性，由此建立机械部件的三维离散元法分析模型。采用超二次方程和球组合方法，建立了复杂形状颗粒的三维离散元法分析模型，采用盒子法进行颗粒和边界的邻居搜索，采用几何和数值方法进行颗粒之间及颗粒与边界之间的接触检测，采用OpenGL实现颗粒与边界三维实体模型运动过程的仿真显示。在上述工作基础上，通过数据库共享实现了三维CAD软件与自主研制的三维离散元法分析软件集成，从而构建了一种集设计和性能分析评价为一体的新型CAE软件。采用该新型CAE软件对几种机械部件的工作过程及其性能进行了仿真分析，并与试验结果进行了比较，两者相近且变化趋势一致，初步证明了本项目所建立方法及所开发软件的可行性和有效性，为相关机械部件的优化设计建立了一种新方法和新手段。