農(nóng)機部件數(shù)字化設(shè)計軟件平臺AgriDEM開發(fā)

付 宏，王常瑞，靳 聰，于建群

（1. 吉林大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，長春 130012； 2. 吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，長春 130022）

Fu Hong1, Wang Changrui1, Jin Cong1, Yu Jianqun2※(1. College of Computer Science and Technology, Jilin University, Changchun 130012, China; 2. College of Biological and Agricultural Engineering, Jilin University, Changchun 130022, China)

農(nóng)機部件數(shù)字化設(shè)計軟件平臺AgriDEM開發(fā)

付 宏1，王常瑞1，靳 聰1，于建群2※

（1. 吉林大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，長春 130012； 2. 吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，長春 130022）

為解決農(nóng)機產(chǎn)品開發(fā)周期長、工作量大和成本高等問題，研制了集設(shè)計和性能分析評價為一體的農(nóng)機部件數(shù)字化設(shè)計軟件平臺 AgriDEM（agricultural discrete element method）。該平臺通過將 CAD 軟件與自主研發(fā)的基于DEM-CFD-MBK（discrete element method，computational fluid dynamics，multi-body kinematics）耦合的分析軟件集成，可在設(shè)計階段由農(nóng)機部件的CAD模型（CAD軟件設(shè)計圖），進行農(nóng)機部件工作過程的動態(tài)仿真和工作性能的分析評價，由此實現(xiàn)農(nóng)機部件結(jié)構(gòu)方案和尺寸參數(shù)的優(yōu)化。該文詳細介紹了該平臺的架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)方法，包括農(nóng)機部件分析模型的建模方法、顆粒的建模方法、基于OpenMP的并行計算方法、基于DLL的模塊封裝及原型系統(tǒng)開發(fā)等，最后通過一個實例驗證了該平臺的可行性和有效性，可為農(nóng)機部件的優(yōu)化設(shè)計和數(shù)字化設(shè)計提供參考。

計算機仿真；優(yōu)化；設(shè)計；數(shù)字化設(shè)計；CAE軟件；離散元法

付 宏，王常瑞，靳 聰，于建群. 農(nóng)機部件數(shù)字化設(shè)計軟件平臺AgriDEM開發(fā)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(7)：1－9.

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.001 http://www.tcsae.org

Fu Hong, Wang Changrui, Jin Cong, Yu Jianqun. Development of digital design software platform AgriDEM for agricultural machinery parts[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(7): 1－9. (in Chinese with English abstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.001 http://www.tcsae.org

0 引 言

傳統(tǒng)的農(nóng)機產(chǎn)品開發(fā)，是以制造物理樣機的方式對設(shè)計的可行性和有效性進行檢驗，其缺點是開發(fā)周期長、開發(fā)工作量大和開發(fā)成本高等，無法滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的使用需求。利用計算機仿真技術(shù)結(jié)合計算力學(xué)分析，開發(fā)出一種可以代替制造物理樣機，來對設(shè)計進行分析評價的軟件平臺很有必要，且已成為國內(nèi)外的研究前沿和研究熱點[1-2]，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的農(nóng)機部件數(shù)字化設(shè)計軟件平臺AgriDEM由此誕生。

AgriDEM平臺的特點是，在農(nóng)機部件的設(shè)計階段，通過農(nóng)機部件的CAD模型（CAD軟件設(shè)計圖），可實現(xiàn)農(nóng)機部件工作過程的動態(tài)仿真，由此分析評價農(nóng)機部件的工作過程及工作性能；通過改變農(nóng)機部件的CAD模型，可分析評價不同原理、不同結(jié)構(gòu)和尺寸農(nóng)機部件的工作過程及工作性能，由此實現(xiàn)農(nóng)機部件結(jié)構(gòu)方案和尺寸參數(shù)的優(yōu)化，為農(nóng)機部件的優(yōu)化設(shè)計和數(shù)字化設(shè)計提供參考。

1 軟件平臺的體系結(jié)構(gòu)

1.1 軟件架構(gòu)

農(nóng)機部件數(shù)字化設(shè)計軟件平臺AgriDEM由4個模塊組成，分別是邊界建模模塊、顆粒建模模塊、分析計算模塊（求解器）、性能分析和可視化模塊（后處理），軟件平臺的架構(gòu)如圖 1所示。其中，邊界建模模塊是對CAD軟件的二次開發(fā)，用來將農(nóng)機部件的CAD軟件設(shè)計圖，轉(zhuǎn)換成為可以進行 DEM、CFD、MBK（discrete element method，computational fluid dynamics，multi-body kinematics）及其耦合計算的分析模型。顆粒建模模塊主要是三維球和非球顆粒建模軟件，其中非球是采用球填充組合方法建立顆粒模型。分析計算模塊主要是農(nóng)機部件工作過程分析計算軟件，用來分析計算顆粒材料與農(nóng)機部件的接觸作用和顆粒材料的流動過程。性能分析和可視化模塊是性能分析軟件，用來對工作過程的計算結(jié)果進行可視化和農(nóng)機部件工作性能的分析。其中，邊界建模模塊和顆粒建模模塊與分析計算模塊通過數(shù)據(jù)文件和數(shù)據(jù)庫集成在一起，分析計算模塊與性能分析和可視化模塊通過數(shù)據(jù)文件耦合在一起。

在這 4個模塊中，分析計算模塊是核心。這一模塊的架構(gòu)設(shè)計為 3個層次，包括表示層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)訪問層。其中，業(yè)務(wù)邏輯層的求解器可以接收邊界與顆粒實例和計算參數(shù)信息，負責(zé)DEM-CFD-MBK單獨計算及耦合計算。該軟件平臺架構(gòu)的特點是，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，便于數(shù)據(jù)的抽象和傳遞；邊界建模、顆粒建模、求解器和性能分析與可視化各模塊相對獨立，支持模塊化設(shè)計和方便修改等。

1.2 核心流程

軟件平臺AgriDEM的核心流程如圖2所示。首先，在CAD軟件上設(shè)計出農(nóng)機部件的CAD模型，然后通過邊界建模模塊將CAD模型轉(zhuǎn)換成分析模型并存入邊界模型數(shù)據(jù)庫。第二，根據(jù)實際顆粒的形狀利用顆粒建模模塊，生成顆粒模型并存入顆粒模型數(shù)據(jù)庫。第三，分別從數(shù)據(jù)庫中讀取邊界模型和顆粒模型、設(shè)置分析計算參數(shù)，并將計算參數(shù)、邊界模型和顆粒模型傳遞給求解器。在分析計算的過程中，計算結(jié)果以文件形式保存。最后，讀取計算結(jié)果文件，進行農(nóng)機部件工作過程的可視化及工作過程的性能分析。通過可視化和性能分析，可以判斷所設(shè)計的農(nóng)機部件是否滿足設(shè)計要求，如果滿足設(shè)計要求，農(nóng)機部件的設(shè)計工作完成。否則，修改農(nóng)機部件的CAD模型，并對修改后的新CAD模型重新進行分析計算和性能分析，直到滿足設(shè)計要求為止。

圖1 農(nóng)機部件數(shù)字化設(shè)計軟件平臺AgriDEM的架構(gòu)Fig.1 Architecture of digital design platform AgriDEM for agricultural machinery parts

圖2 數(shù)字化設(shè)計軟件平臺AgriDEM的核心流程Fig.2 Core process of digital design platform AgriDEM

2 關(guān)鍵技術(shù)及其實現(xiàn)方法

2.1 邊界建模

邊界建模，即建立邊界（農(nóng)機部件）的分析模型，一般包含 2項內(nèi)容，分別是建立邊界的幾何模型和運動模型[3-4]。分析可知，一般農(nóng)機部件的結(jié)構(gòu)是比較復(fù)雜的，但與顆粒材料接觸作用的是農(nóng)機部件中某些零部件的表面，這些表面一般可分為 2類。一類是能用初等解析函數(shù)表達的規(guī)則曲面，如平面、球面、柱面和錐面等，另一類是不能用初等解析函數(shù)表達的非規(guī)則曲面。

AgriDEM軟件邊界幾何模型的建模方法是，通過人機交互識別和讀取與顆粒材料接觸的邊界曲面，當(dāng)該邊界曲面是規(guī)則曲面時，直接由該曲面方程（初等解析函數(shù)）建立邊界的幾何模型。當(dāng)規(guī)則曲面上存在缺失部分時，如1個平面上帶有圓孔或1個柱面上帶有溝槽等，可采用本課題組提出的實邊界與虛邊界的方法建立其幾何模型[5-6]。實邊界表示邊界上實際存在的面，顆粒與實邊界接觸時，有接觸力產(chǎn)生；虛邊界表示實邊界上缺失部分，顆粒與虛邊界接觸時，沒有接觸力產(chǎn)生，因而可以穿過虛邊界（見圖3），而且由于制造工藝的限制，虛邊界往往也可以用規(guī)則曲面表示。當(dāng)邊界曲面是非規(guī)則曲面時，采用推進波前法（advancing front technique，AFT），把非規(guī)則曲面離散成三角形網(wǎng)格面片的組合[7]，即采用“有限壁”的方法建立邊界的幾何模型[3]。

圖3 球顆粒與實邊界和虛邊界的接觸作用分析簡圖Fig.3 Contact analysis of particles with real and virtual boundaries

農(nóng)機部件的運動形式一般可分為平動、轉(zhuǎn)動和非平動轉(zhuǎn)動的復(fù)雜運動。當(dāng)邊界運動比較簡單時，如平動或轉(zhuǎn)動邊界，建立其運動模型比較簡單，現(xiàn)有的離散元法軟件，都實現(xiàn)了平動或轉(zhuǎn)動邊界的離散元法分析計算[4]。當(dāng)邊界運動為非平動或轉(zhuǎn)動的復(fù)雜運動時，建立其運動模型比較復(fù)雜，AgriDEM軟件采用多剛體運動學(xué)（MBK）方法建立分析模型，具體步驟為：首先，基于PRO/E或UG軟件，采用人機交互方法，讀取邊界CAD模型中的構(gòu)件和運動副，然后采用多剛體運動學(xué)的笛卡爾方法，建立鉸鏈（如固定轉(zhuǎn)動鉸、移動轉(zhuǎn)動鉸、滑動鉸、相對等距約束等）的約束方程為[8]

將驅(qū)動約束方程與鉸鏈約束方程聯(lián)立，構(gòu)成新的約束方程為

將式（3）對時間t求一階和二階導(dǎo)數(shù)，得到相應(yīng)的速度與加速度約束方程為

式中下角標字母變量表示對該變量求導(dǎo)。采用牛頓-拉斐遜（Newton-Raphson）法求解系統(tǒng)的約束方程（3），得到當(dāng)前時步構(gòu)件的笛卡爾坐標值，利用克勞特分解法（Crout）求解系統(tǒng)的速度和加速度約束方程（4），得到當(dāng)前時步構(gòu)件笛卡爾坐標的一階和二階導(dǎo)數(shù)，由此得到剛體（構(gòu)件）質(zhì)心每個時步的平動位移（角位移）、平動速度（角速度）和平動加速度（角加速度），再根據(jù)邊界曲面上顆粒接觸點與剛體質(zhì)心點的關(guān)系，便可計算出每個時步復(fù)雜運動邊界曲面上顆粒接觸點的位置和速度，由此即建立了復(fù)雜運動邊界的三維分析模型[9]。

2.2 顆粒建模

AgriDEM軟件的顆粒（即農(nóng)機部件的作業(yè)對象）模型包括球形顆粒、橢球形顆粒、超球形顆粒等[10]。其中球形顆粒形狀簡單，離散元法（discrete element method，DEM）和CFD計算速度快、計算精度高、計算穩(wěn)定性好。橢球、超球等非球顆粒，均是采用球填充組合方法建立其顆粒模型[11]。

AgriDEM軟件采用2種填充組合方法建立非球顆粒模型[10,12]。一種是根據(jù)顆粒形狀，采用人機交互手動充填方法，另一種是計算機自動充填方法。其中自動充填又實現(xiàn)了2種方法，一種是基于顆粒數(shù)據(jù)點云的自動充填方法；另一種是基于顆粒數(shù)據(jù)三角形網(wǎng)格面的自動充填方法。圖4為使用該軟件手動充填建立的大豆籽粒[13]、玉米籽粒[14]和小麥籽粒分析模型。圖 5為使用該軟件自動充填建立的非規(guī)則形狀玉米籽粒模型，圖 6為使用該軟件采用顆粒聚合體方法建立的玉米果穗[15]和小麥植株分析模型[16]。

圖4 由手動填充球方法建立的3種籽粒模型Fig.4 Three grain models established by manually fill method

圖5 由自動填充球方法建立的非規(guī)則形狀玉米籽粒模型Fig.5 Irregular shape corn grain models established by autofill method

圖6 采用顆粒聚合體方法建立的玉米果穗和小麥植株模型Fig.6 Corn ear models and wheat plant models established by method of agglomerate particles

當(dāng)采用球填充方法建立顆粒模型時，還需確定顆粒的質(zhì)心坐標和3個慣性主軸及繞3個慣性主軸的轉(zhuǎn)動慣量I1、I2、I3。AgriDEM軟件采用的方法為：設(shè)顆粒p的質(zhì)量為m、密度為ρ和組成球的個數(shù)為n及組成球半徑分別為 R1、R2、R3、…、Rn，在假設(shè)組成球的密度與顆粒p密度相同的條件下，則有

則組成球i的質(zhì)心在i球球心，球i質(zhì)量mi為

當(dāng)選擇各組成球的質(zhì)量相同時[17]，則組成球i的質(zhì)心在i球球心，球i質(zhì)量為

設(shè)Xi(xi,yi,zi)為組成球i的質(zhì)心向量，則顆粒p的質(zhì)心XP為

設(shè)顆粒p的慣性張量為Ip、組成球i的轉(zhuǎn)動慣量為Ii，則有[10-11]

因為慣性張量 Ip是實值的三維對稱矩陣，可以用對角線化將慣性積變?yōu)?，使慣性張量成為一個對角矩陣，所得的3個特征向量就是顆粒p的慣性主軸，而對應(yīng)的特征值則是顆粒p相對于該3個慣性主軸的轉(zhuǎn)動慣量I1、I2、I3。

2.3 求解器

求解器基于DEM-CFD-MBK及其耦合方法，對農(nóng)機部件的工作過程進行分析計算。此時需將農(nóng)機部件的整個工作過程劃分為一個個小的時間段即時步，每 1個顆粒在 1個時步內(nèi)，只能以很小的位移與其相鄰的顆粒或者邊界接觸作用，每個時步求解器的求解步驟見圖7。

圖7 求解器的計算流程Fig.7 Calculation flow of sovler

在離散元法中，顆粒運動由牛頓第二定律求得，以球顆粒i為例有

式中mi和vi分別為顆粒i的質(zhì)量和平動速度；Σfi為顆粒i所受的合外力，包括顆粒本身重力、顆粒與顆粒及顆粒與邊界的接觸作用力、流體給顆粒的作用力等；Ii為顆粒i的轉(zhuǎn)動慣量；ωi為顆粒i的角速度；ΣTi為顆粒i所受的合力矩。

當(dāng)采用線性黏彈性接觸力學(xué)模型[18]，計算顆粒與邊界的接觸作用力時（見圖8），法向（X方向）接觸作用力為

圖8 顆粒與邊界接觸作用力Fig.8 Contact force between particles and boundaries

當(dāng)采用離散元法與多剛體運動學(xué)耦合計算方法，每個時步更新邊界位置和速度時，需采用上節(jié)介紹的MBK方法進行更新。

當(dāng)采用離散元法與計算流體動力學(xué)耦合方法計算接觸作用力時，需考慮流體與顆粒間相互作用的曳力 Fd。以球顆粒為例，F(xiàn)d的計算公式為[11,19]

式中Fd為當(dāng)前時步單個顆粒所受的流體作用力；d為顆粒直徑；Cd為單個顆粒曳力系數(shù)；ρg為流體密度；ug為顆粒所在流場網(wǎng)格中流體的速度；up為顆粒的速度；ε為網(wǎng)格內(nèi)流體所占體積的百分比即空隙率；μg為流體黏度。

2.4 可視化與性能分析

求解器分析計算時，將計算結(jié)果保存在文件中，保存的結(jié)果包括：入料口的形狀和位置，邊界的形狀和位置，顆粒的形狀和位置，顆粒的平動速度和轉(zhuǎn)動速度，顆粒所受合力和合力矩，顆粒與邊界接觸的位置和接觸力的大小等。計算結(jié)果可視化是以播放動畫的形式，還原農(nóng)機部件的工作過程和顆粒的流動過程。采用OpenGL繪制圖形并以一定的頻率播放，由定時器控制播放，每當(dāng)定時器被觸發(fā)，播放器就讀取邊界、入料口和顆粒的形狀和位置等，然后繪制成圖像顯示在屏幕上。這樣，農(nóng)機部件的工作過程和顆粒的流動過程就被動態(tài)的演示出來了。AgriDEM軟件還可以根據(jù)顆粒的半徑或者速度等設(shè)置顆粒顏色，也可以設(shè)置邊界的顏色和透明度等[20]，如圖9所示。

性能分析是以數(shù)據(jù)的形式對農(nóng)機部件的工作性能做出評價。性能分析包括顆粒速度和受力、顆粒破碎、農(nóng)機部件工作阻力、顆粒群體的流量等，如圖10所示。性能分析時使用分析計算保存的數(shù)據(jù)，并以坐標曲線的形式表現(xiàn)出來。農(nóng)機部件的設(shè)計人員在設(shè)計階段就可以評價農(nóng)機部件的工作性能，大大縮短了設(shè)計周期。

2.5 并行計算與組件設(shè)計

AgriDEM軟件應(yīng)用OpenMP實現(xiàn)DEM、CFD和MBK的并行計算[21-23]，即通過Fork來使計算并行化，通過 Join來等待所有分線程計算結(jié)束，并行計算步驟和流程見圖7。

為了提高軟件的靈活性和更新效率，AgriDEM軟件將CFD、MBK計算寫入動態(tài)鏈接庫DLL，通過函數(shù)接口調(diào)用DLL。這樣，只要不加載DLL文件，CFD、MBK單獨計算或耦合計算功能都不能使用，加載DLL后才可以實現(xiàn)[23-25]。

圖10 性能分析示例圖Fig.10 Sample graph of analysis performance

3 原型系統(tǒng)的開發(fā)

根據(jù)前面介紹的農(nóng)機產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計平臺架構(gòu)，開發(fā)出了一個原型系統(tǒng)—AgriDEM。該系統(tǒng)集農(nóng)機部件的數(shù)字化設(shè)計與性能分析于一體，可以大大縮短農(nóng)業(yè)機械的研發(fā)周期。同時，該系統(tǒng)的開發(fā)與使用也驗證了本文提出的架構(gòu)的可行性和有效性。

3.1 開發(fā)語言和工具

AgriDEM軟件采用C++語言，基于VS2010+MFC平臺進行開發(fā)，使用Microsoft Access數(shù)據(jù)庫存儲邊界模型和顆粒模型，計算結(jié)果使用二進制文件進行保存。

3.2 軟件界面

AgriDEM軟件的用戶界面如圖11所示。軟件采用支持多文檔的Windows窗口模式，主界面包括功能區(qū)、參數(shù)設(shè)置欄、視圖窗口和操作記錄區(qū)等。功能區(qū)包括許多可以點擊的按鈕，用戶通過點擊按鈕選擇所要完成的功能。參數(shù)設(shè)置欄由可停靠的窗口組成，可以完成參數(shù)的設(shè)置。視圖窗口可以展示參與DEM計算的邊界模型或者進行可視化演示。操作記錄區(qū)記錄用戶所有的操作以及操作的時間。

圖11 AgriDEM軟件的用戶界面圖Fig.11 User interface of AgriDEM

4 實例分析

限于篇幅，本文選擇1個實例，對AgriDEM軟件進行實例分析和驗證。實例對象為一種播種機中氣吹式排種器，通過采用AgriDEM軟件中的DEM-CFD耦合功能，對該排種器的工作過程及性能進行仿真分析，并與試驗結(jié)果進行對比[26-27]。

由CAD軟件設(shè)計的氣吹式排種器的CAD模型如圖12a，氣吹式排種器和大豆種子的分析模型如圖 12b。采用AgriDEM軟件中的DEM-CFD耦合功能，對該排種器工作過程的仿真分析如圖12b，排種器播大豆種子實際試驗如圖12c。仿真時參數(shù)選取見表1、表2和表3。排種性能的仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對比見表4。由表4可知，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果接近且變化趨勢一致，初步證明了AgriDEM軟件的可行性和有效性。

圖12 采用AgriDEM軟件由CAD模型實現(xiàn)的氣吹式排種工作過程的DEM-CFD仿真分析與試驗對比Fig.12 Comparison between experiment and DEM-CFD simulation of working process for air blowing seed metering device by using of AgriDEM

表1 進氣口X、Y、Z方向的氣體速度分量Table1 Gas velocity component along direction of X, Y and Z

表2 氣相、加載流體區(qū)域及網(wǎng)格參數(shù)Table2 Gas phase, fluid loading zone and grid parameters

表3 仿真分析參數(shù)Table3 Simulation analysis parameters

表4 不同轉(zhuǎn)速和氣壓下排種性能仿真與試驗對比分析Table4 Drop performance comparison between simulation and experiment at different speed and pressure

采用AgriDEM軟件，對其他農(nóng)機部件工作過程的仿真分析，如基于DEM-MBK耦合的篩分過程分析[28]，玉米脫粒機[29]、大豆排種器[30]、玉米排種器[31]和外槽輪式排肥器[32]等分析，參見已發(fā)表的文獻。

5 結(jié) 論

針對農(nóng)機產(chǎn)品開發(fā)中存在的問題，研制了農(nóng)機部件數(shù)字化設(shè)計軟件平臺AgriDEM。詳細介紹了該平臺的架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)及實現(xiàn)方法。該軟件平臺可以用來模擬并分析顆粒材料與農(nóng)機部件的接觸作用和顆粒材料的流動過程，可以在設(shè)計階段分析和評價農(nóng)機部件的工作過程及其性能，實例驗證初步證明該平臺的可行性和有效性，可為農(nóng)機部件的優(yōu)化設(shè)計和數(shù)字化設(shè)計提供參考。下一步的工作是進一步拓展該平臺的功能，并加大力度推廣應(yīng)用該軟件。

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Development of digital design software platform AgriDEM for agricultural machinery parts

The traditional way to develop agricultural machinery parts, in which the test of feasibility of agricultural machinery parts is confirmed by manufacturing prototype machinery, is unable to meet the needs of agricultural production due to its shortcomings such as the long development cycle, the heavy workload and the low efficiency. Therefore, it’s necessary to design and implement a digital design platform that combines mechanical analysis with computer simulation technology, and the design effect of agricultural machinery parts can be tested by using this platform instead of manufacturing prototype machinery. Therefore, a digital design software platform for agricultural machinery components i.e. AgriDEM (agricultural discrete element method) was designed and implemented through integrating CAD (computer aided design) with a self-developed analysis software based on the coupling of DEM-CFD-MBK (discrete element method, computational fluid dynamics, multi-body kinematics). The AgriDEM had 4 modules, i.e. boundary modeling, particle modeling, calculation, and visualization and analysis. Boundary modeling module could transform a CAD software design of agricultural machinery into an analysis model that could participate DEM calculation and DEM-CFD-MBK coupling calculation by the secondary development of CAD software or the read of the STL (standard template library) file. Particle modeling module was a software that could establish three-dimensional (3D) spherical particle models, 3D non-spherical particle models, 3D corn grain models, 3D soybean grain models, 3D wheat plant models, and so on. Non-spherical particle were filled with spherical particle. Calculation module was a software that could calculate the working process of agricultural machinery including the fluid process of particles and the contact conditions between the particles, separately with DEM or with the coupling of DEM-CFD-MBK. Visualization and analysis module was a software that could make calculation result visualized and analyze the performance of agricultural machinery. These 4 parts were coupled together by database or data file. During the development of the AgriDEM, C++ language was used to write code, and VS2010+MFC was chosen as the development platform. This platform could simulate, analyze and evaluate the working performance and working process of agricultural machinery in the design stage; by changing the CAD model of agricultural machinery parts, the working process with different principle, different structures and sizes of components and the work performance were evaluated and analyzed, so as to realize the optimization of agricultural machinery parts’ structure and size parameters. The architecture of this platform was described in detail in this paper, and the implementation methods of the key technologies were introduced, including the modeling method of the boundaries model, the modeling method of the particles, the parallel computing method based on OpenMP, the module encapsulation method based on DLL (dynamic link library), and the development method of prototype system. Finally, the feasibility and the effectiveness of this platform were confirmed through testing instances. The new method in this study can provide the reference for the optimization design and digital design of agricultural machinery parts.

computer simulation; optimization; design; digital design; CAE software; discrete element method

Fu Hong1, Wang Changrui1, Jin Cong1, Yu Jianqun2※
(1. College of Computer Science and Technology, Jilin University, Changchun 130012, China; 2. College of Biological and Agricultural Engineering, Jilin University, Changchun 130022, China)

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.001

TP391

A

1002-6819(2017)-07-0001-09

2016-09-24

2017-04-08

國家自然科學(xué)基金項目（11172112，51675218）；吉林省科技發(fā)展計劃項目（20140204038NY）

付 宏，女，浙江寧波人，教授，研究方向為數(shù)值模擬與計算機仿真。長春 吉林大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，130012。

Email：fuhong@jlu.edu.cn

※通信作者：于建群，男，吉林長春人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為數(shù)字化設(shè)計。長春 吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，130022。

Email：yujianqun@jlu.edu.cn