广东梅州
筛分过程的虚拟模拟研究
1 几何模型及运动仿真的实现
旋振筛筛分过程主要由三类参数决定，第一类是被筛分物料自身特性，如粒度组成、湿度、含泥量和颗粒形状等；第二类是操作管理制度因数，如生产率的大小和给料的均匀性等；第三类为旋振筛性能特性，如筛子运动特性、筛面长度、有效筛分面积、筛孔尺寸、筛面倾角和形状等。
1.1 第三类参数的确定
第三类参数在几何建模中实现，由于 3DS MAX提供了丰富的建模方法，主要有几种实体 (geometry)建模、样条 (Spline)建模、网格(mesh)建模、面片建模、NUBRS 建模等。成功模型的标准是简洁实用，便于修改。为了便于研究我们对所涉及的旋振筛按比率缩小，其基本尺寸为 800 mm×500 mm，振动频率为 800 r/ min，单振幅为5 mm，旋振筛作圆运动，综合考虑了虚拟实验的要求和计算机处理能力，其软件界面如图2 所示，对所涉及的旋振筛模型做了简化处理，借助了 3 D SMAX 基本实体建模及一些布尔运算。
1.2 第一、二类参数的确定——物料粒子及特性的添加
虚拟实验系统添加粒子是本文的难点和核心所在，物料粒子的多少是由筛分机处理能力决定的，它是由 3DSMAX 软件中每秒添加多少个粒子来决定；给料的均匀性按均匀给定，对实际工矿中不均匀情况乘以不均匀来确定；对物料粒度组成按洛金—拉姆勒方程给定，在生成粒子时每段区间生成一定数量的粒子；颗粒形状由 3DS MAX 软件自动生成；对物料的湿度、含泥量，其主要影响是物料的粘性，我们利用用 3DSMAX 软件中磨擦系数来模拟，透筛过程由 3DS MAX软件按透筛概率自动模拟。
1.3 筛分透筛过程的模拟
物料粒子自给料端下落过程中，不仅受到重力的作用，还要与不断运动的旋振筛筛面发生碰撞与透筛，如果不加碰撞避让设置，就会产生物体间相互穿越的情形，这将严重影响到仿真系统的真实性。物料粒子在筛分过程中既相互碰撞并碰撞筛面，然后透筛，由于场景中使用的对象基本上是一些不规则的物体，因此判断两个物体是否碰撞的规则采用包围盒的检验方法。为分析方便，本系统所涉及的筛杆和粒子、粒子和粒子，在建模时对其位置作比较，分别为 2 个球体、球体与筛杆、球体与平面。
1.3.1 球与球之间的碰撞
但在两个运动的球之间的碰撞还存在另外一种状况，在一个时间步长内球从一点运动到了另外一点，在该步长的两个端点都没有发生碰撞，但是无法决定在该步长之间是否发生了碰撞。解决这种问题只能采用缩小步长的办法，利用更小的时间片来精确地确定两球之间是否真正发生了碰撞以及发生的时间与位置。
1.3.2 球与圆柱体的碰撞
对应于的球与圆柱体的碰撞，首先检查求的运动矢量是否与圆柱体轴线平行。如果不平行，则求出两个矢量之间的距离，若距离大于圆柱体的半径则不产生碰撞，否则产生碰撞。
1.3.3 球与平面之间的碰撞
球与平面之间的碰撞检测主要计算平面法线与球的运动直线是否平行或相交。碰撞响应，必须符合力学规律。
1.4 系统开发过程中的关键技术问题
筛分过程的虚拟实验实现需要解决以下几个问题：
(1) 数字仿真、数据文件的产生和传递，这两项内容主要解决计算机的运行速度问题；
(2) 筛分机的运动模型、运动的实时性、环境的导入，这三项内容主要解决虚拟实验与真实筛分过程的接近程度；
(3) 整体的加载、仿真结果的显示输出，这两项内容主要解决筛分结果和过程的可视化问题。
2 运动的实时性运动的实时性是衡量该仿真的一个重要标准，3DSMAX 提供了实时运动的能力，但是实时性的好坏跟场景的复杂程度有关。本文由于在添加粒子的过程中增加了碰撞检验这一算法，使得进行交互运动时耗费了系统大量资源，降低了其运行的速度，为此在仿真运动运行时，采用了一些提高运行速度的对策：
(1) 在保证精度的前提下，尽量降低模型的网格复杂程度；
(2) 满足真实感的前提之下降低材质的复杂程度，甚至不进行贴图处理。为了进一步提高系统运行效率，在设计界面的过程中，创建了一个渲染预览窗口，在调试过程中可以快速渲染小图片观看最后效果，而在最后渲染输出时再渲染成大尺寸图片或动画。因此，在不损失仿真真实性的前提下，在普通台式电脑上，可使用 3DS MAX 内部的挡板进行简化。系统的筛分效率最后由筛上物和筛下物数量经统计计算求得。
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