小麦植株建模方法研究和脱粒过程仿真软件研制

【摘要】随着计算机图形学的不断发展与计算机性能的大幅提升，计算机仿真在国防、航空、电子等领域已经得到了广泛的应用。人们通过对现实世界事物的抽象、建模，并转换为计算机可执行的程序从而实现了对真实世界的仿真模拟。植物是自然界中非常常见的并且与人类生产生活密切相关的物种，近年来对植物的模拟成为计算机仿真的一个重要的研究方向。由于植物具有种类繁多、结构复杂的特点，因此对植物进行建模是通过计算机进行仿真的重点与难点。经过多年研究，人们提出了一些通用的植物建模方法，如L-系统模型、粒子系统模型、几何设计模型等。通过这些方法人们建立了多种复杂的植物模型，在虚拟植物研究方面取得了很大的进展。但上述方法更多的是关注于植物外部形态的模拟，很少有考虑到植物的物理特性，如植物在受到外力的作用时的运动、形状改变、内部受力变化与破碎等。因此在建立植物模型时，如果可以考虑到植物的物理特性，利用计算机仿真植物在机械中的运动、收割、脱粒等过程，那么其仿真结果对于农业机械设计将具有重要的指导意义与实用价值。小麦是世界上最重要的农作物之一同时也是我国的第二大粮食作物，是我们重要的食物来源，在我国的多个省市都有广泛的种植。在小麦植株的脱粒过程中，人们最为关心的是小麦植株的脱粒率与麦粒的损失率，有研究表明在小麦植株脱粒过程中脱粒的损失率常常较大，因此研究小麦植株在脱粒过程中的脱粒效果与脱粒所产生的损耗将有着非常重要的意义。如果能通过计算机来仿真小麦植株收割脱粒的全过程，就可以使人们根据仿真结果方便高效的优化小麦脱粒机的设计，从而克服了传统机械设计过程中的反复实验－制造的长周期与低效率的缺点，同时达到了节约机械设计成本的目的。本课题组进行了多年的离散元法的研究与应用软件的研发，并且已经提出了一种以离散元法为基础的小麦麦穗建模方法，同时研制出了小麦麦穗仿真软件。本文在此基础上提出了小麦植株的完整建模方法，并且改进了小麦植株的邻居搜索方法，同时为了提高程序的仿真计算速度，完成了程序计算部分的多核并行化。通过观察小麦植株与查找相关资料可知，在建模时可以将小麦植株分为三个主要的部分，即小麦麦穗、小麦茎秆与小麦叶片。关于小麦麦穗的建模方法在课题组的前期工作中已有论述，本文主要研究小麦植株尤其是小麦茎秆与小麦叶片的建模方法。小麦茎秆是由多个节间组成的，每个节间长短、粗细均不同。建模时节间由多个球颗粒自上而下排列组成，球颗粒的直径即为节间的直径，将多个节间连接在一起即为整个小麦茎秆。由于小麦叶片具有柔软可变形的特点，在建模时采用了弹簧-质点模型，弹簧-质点模型在织物仿真中有着广泛的应用。在建立叶片模型时，由球颗粒表示质点，球颗粒与球颗粒之间由一些虚拟弹簧相连。小麦叶片为条形叶，叶片上有无数条叶脉贯穿其中。确定叶片形状时以叶脉为骨架，多条平行叶脉组成整个叶片，使用三次Bezier曲线描述其形状。在上述工作基础上，本文建立了包括接触检测方法和运动计算方法等在内的小麦植株脱粒过程的分析计算方法。本文使用两种方法进行接触检测，分别为不使用网格的接触检测方法与使用网格的接触检测方法。当计算的小麦植株数量比较多时，使用网格的接触检测方法较不使用网格的接触检测方法有很大的性能提升。当植株之间、植株与机械部件之间接触时，采用线性粘弹性接触力学模型计算其接触作用力，根据作用在计算小麦植株上的合力与合力矩，采用牛顿第二定律和欧拉动力学方程求解其运动。使用线性粘弹性连接力学模型计算小麦植株的内部连接力(包括麦粒与穗轴、穗轴与穗轴、穗轴与节间、节间与节间等)，并给出了小麦植株的断裂准则与断裂后的处理方法。根据上述建模方法与脱粒过程分析计算方法，编写了小麦植株脱粒仿真程序。在Windows平台下使用面向对象的开发方法研制了仿真程序，实现了小麦植株脱粒过程的仿真计算及前端显示与性能分析，并且为了提高程序的计算速度将原开发的串行程序改为多核并行程序，为了更好的利用计算机的硬件性能，将原来的32位程序改为64位程序。在开发了小麦植株脱粒仿真程序的同时编写了小麦植株预览程序，实现了在计算前预览小麦植株形状的功能，并将预览程序集成到小麦植株仿真程序当中。最后，对小麦植株脱粒仿真程序进行了系统的测试，包括将生成的小麦植株模型与真实的小麦植株进行对比，测试小麦植株在脱粒机中的运动过程、叶片的变形效果、脱粒效果与断裂效果等。通过测试初步证明了本文提出的小麦植株建模方法的可行性、所建立的脱粒过程分析计算方法及所研制软件的可行性和有效性，为小麦植株脱粒的进一步研究打下了基础。
【作者】刘磊；
【导师】付宏；
【作者基本信息】吉林大学，计算机软件与理论，2014，硕士
【关键词】离散元法；小麦植株建模；仿真计算；邻居搜索；小麦植株脱粒；

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