三维离散元法玉米果穗脱粒过程仿真软件的改进研究

【摘要】在玉米的生产过程中，大部分玉米使用脱粒机进行脱粒。但由于玉米脱粒机工作过程十分复杂，国内外研究机构对于模拟玉米脱粒的情况，多数使用的方法与一般实际情况有较大差别。所以课题组采用离散元法与计算机仿真技术相结合，将玉米果穗整体分解成许多个独立的玉米芯、玉米籽粒来进行研究，再结合颗粒动力学方法，研究出三维离散元法玉米果穗脱粒过程仿真软件。目前该仿真软件已经实现对玉米果穗的脱粒过程进行模拟，但计算时间还较长，因此减少仿真计算时间，成为改进玉米果穗脱粒过程仿真软件的迫切需求。在现代计算机应用中，多核处理器越来越受到人们的重视，因此使用多核处理器实现并行技术，成为减少玉米果穗脱粒仿真时间研究的重点，这样也能充分发挥多核处理器的性能。同时因软件开发过程中重复劳动的现象愈来愈严重，软件开发和维护的费用越来越多，而动态链接库技术是实现函数库共享，提高代码利用率、减少维护费用一种简单而且有效的途径，同时动态链接库技术可以让各个模块独立开发，做到不影响应用程序间其他功能使用的效果。因此使用动态链接库技术完成玉米果穗脱粒过程仿真软件的开发，能够有效提高软件开发质量，大大减少了程序代码的重复开发现象，节省开发时间。本文首先介绍离散元法基本原理，分析并行化方法，并简单说明了动态链接库技术和分类。然后介绍了并行算法中常用的OpenMP标准库，通过介绍原有使用串行算法的玉米果穗脱粒过程，提出针对由多个球颗粒组合而成的玉米籽粒、玉米芯和玉米果穗，所能使用的多核多线程并行化算法并对其进行实现，同时为了保证计算的准确性，对含有三角形面片的边界的接触检测算法进行了改进。由于与实际对比的需要，修改玉米果穗脱粒过程性能分析功能。之后对动态链接库中静态库和动态库两种方式进行了简单介绍，比较它们的优缺点，并根据软件自身的特点结合动态链接库技术实现玉米果穗脱粒过程仿真软件的模块化设计。同时还对32位操作平台和64位操作平台间进程转换进行了深入研究，实现了三维离散元法仿真软件32位操作平台和64位操作平台间进程的相互转换，提高了软件仿真计算时间，最后对多边形虚边界算法做出了修改。针对上述软件的改进，进行了软件测试和实例验证。实际测试表明，对玉米果穗脱粒过程仿真软件实现多核多线程并行技术后，仿真效果与使用串行算法的软件大体趋势相同，但仿真时间明显缩短。玉米果穗与含有三角形面片的边界发生碰撞时，计算结果更加准确，与实际情况更加符合。结合动态链接库技术和多核多线程并行技术，实现玉米果穗脱粒过程模块化设计，从而达到提高仿真速度，不影响其他模块修改和调试的目的。通过对三维离散元法仿真软件在64位操作平台使用的修改，计算速度有了显著提高，为三维离散元法仿真软件在32位和64位两个操作平台的开发带来了方便。最后通过对多边形虚边界算法的修改，实现类似于许多机械部件上含有不同形状和大小的图元的情况的仿真。
【作者】陈晓霞；
【导师】刘小华；
【作者基本信息】吉林大学，计算机应用技术，2014，硕士
【关键词】离散元法；玉米果穗脱粒；并行计算；动态链接库；三角形面片边界；多边形虚边界；

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