3D動(dòng)畫技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械定性中的應(yīng)用

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摘要:隨著信息化技術(shù)的不斷進(jìn)步，3d動(dòng)畫技術(shù)取得了長足發(fā)展。在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)分析領(lǐng)域，3D動(dòng)畫具有先天優(yōu)勢，可以更加直觀地呈現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，便于進(jìn)行定性分析。介紹了3D動(dòng)畫的應(yīng)用原理、優(yōu)勢和特點(diǎn)，分析了3D動(dòng)畫在農(nóng)業(yè)機(jī)械定性分析中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞:3D動(dòng)畫呈現(xiàn);農(nóng)業(yè)機(jī)械;定性分析

0引言

隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求的不斷增長，我國農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造行業(yè)不斷取得突破，但是在新型農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)過程中，傳統(tǒng)的分析方法已經(jīng)不能滿足定性分析的需要。因此，近年來3D動(dòng)畫呈現(xiàn)技術(shù)被引入到農(nóng)業(yè)機(jī)械定性分析工作，并取得了不錯(cuò)的效果。隨著3D動(dòng)畫軟件的不斷更新，越來越多的3D動(dòng)畫軟件在不同的領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，分析中使用的3D動(dòng)畫軟件種類愈發(fā)豐富，功能也更為強(qiáng)大，在農(nóng)業(yè)機(jī)械定性分析工作中發(fā)揮的作用也日益重要。

13D動(dòng)畫軟件介紹

1.1概念

3D動(dòng)畫軟件是利用3D技術(shù)建模，同時(shí)可以對3D模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬的軟件。通過3D軟件的工作不僅可以將平面設(shè)計(jì)的物體三維立體化，還可以創(chuàng)造出一個(gè)立體的三維空間讓之前構(gòu)建的3D模型在這一虛擬空間中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬，并對這一過程進(jìn)行分析，最終通過3D動(dòng)畫進(jìn)行整體呈現(xiàn)。動(dòng)畫呈現(xiàn)模式更加直觀，且動(dòng)畫可以對周邊環(huán)境的動(dòng)態(tài)進(jìn)行仿真模擬，因此，近年來3D動(dòng)畫軟件在農(nóng)業(yè)機(jī)械定性分析工作中被廣泛應(yīng)用。主要介紹了PFC3D軟件的應(yīng)用，其在應(yīng)用過程中可以配合SoildWorks等基于CAD的3D設(shè)計(jì)軟件，共同完成農(nóng)業(yè)機(jī)械的定性分析工作。

1.2應(yīng)用原理

3D動(dòng)畫軟件在農(nóng)業(yè)機(jī)械定性分析工作中的主要作用是利用3D動(dòng)畫技術(shù)，通過動(dòng)態(tài)仿真模擬來對農(nóng)業(yè)機(jī)械的實(shí)際使用過程加以分析，使農(nóng)業(yè)機(jī)械的定性分析更加貼合實(shí)際。以PFC3D軟件的工作為例，其工作原理是利用散粒體建模模擬土壤的狀態(tài)，通過對土壤模型內(nèi)部不同顆粒間的相對運(yùn)動(dòng)模擬得出農(nóng)業(yè)機(jī)械在使用過程中土壤的結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化，也可以通過這一動(dòng)畫模擬過程得出土壤的力學(xué)變動(dòng)曲線，讓農(nóng)業(yè)機(jī)械的定性分析更加準(zhǔn)確，也可以對較為復(fù)雜的農(nóng)業(yè)機(jī)械工作過程進(jìn)行分析，擴(kuò)大了農(nóng)業(yè)機(jī)械定性分析的應(yīng)用范圍［1］。PFC3D軟件主要是通過對周邊環(huán)境的建模及運(yùn)動(dòng)過程的模擬實(shí)現(xiàn)對農(nóng)業(yè)機(jī)械工作狀態(tài)的分析，在農(nóng)業(yè)機(jī)械建模方面的能力有所欠缺，因此可以配合3D和CAD軟件如SoildWorks進(jìn)行農(nóng)業(yè)機(jī)械建模，之后根據(jù)建成的農(nóng)業(yè)機(jī)械三維模型設(shè)計(jì)3D動(dòng)畫中的農(nóng)業(yè)機(jī)械模型，使動(dòng)畫過程可以準(zhǔn)確模擬農(nóng)業(yè)機(jī)械的實(shí)際工作過程，利用兩類3D軟件共同完成定性分析工作。

1.3優(yōu)勢及特點(diǎn)

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械定性分析，往往是采用實(shí)際操作農(nóng)業(yè)機(jī)械的方法進(jìn)行定性分析，不僅會浪費(fèi)人力物力，實(shí)際操作環(huán)境也較為單一，不能實(shí)現(xiàn)對于不同土壤環(huán)境下農(nóng)業(yè)機(jī)械的定性分析，分析結(jié)果具有片面性。而使用了3D動(dòng)畫軟件進(jìn)行農(nóng)業(yè)機(jī)械的定性分析不僅可以省去實(shí)際操作的步驟，還可以利用軟件對于多種土壤條件進(jìn)行分別建模，讓定性分析工作更加全面。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械定性分析，在農(nóng)業(yè)機(jī)械實(shí)際運(yùn)行過后，不能直接得到具體的土壤變化數(shù)據(jù)，如在進(jìn)行播種及犁地過程模擬分析時(shí)，分析人員只能通過土層狀態(tài)的變化，利用經(jīng)驗(yàn)對這一過程進(jìn)行還原分析，結(jié)果不夠精準(zhǔn)。使用3D動(dòng)畫軟件利用3D動(dòng)畫呈現(xiàn)進(jìn)行農(nóng)業(yè)機(jī)械定性分析時(shí)，可以利用軟件內(nèi)部的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)直接獲取土壤的力學(xué)狀態(tài)變化，并對變化數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄與分析，最終得到農(nóng)業(yè)機(jī)械工作過程的土壤力學(xué)參數(shù)變化曲線，讓分析數(shù)據(jù)更加客觀，也便于分析人員進(jìn)行接下來的定性分析工作［2］。通過3D動(dòng)畫呈現(xiàn)的方式進(jìn)行農(nóng)業(yè)機(jī)械定性分析還有一個(gè)巨大的優(yōu)勢就是在模擬過程中便可以對農(nóng)業(yè)機(jī)械的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，可以為后期的農(nóng)業(yè)機(jī)械改良工作提供參考。在傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械定性分析工作中，只能對已有的農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)行分析，在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)人員進(jìn)行改良后需要等待機(jī)械升級完成才能進(jìn)行再次的測試，不僅延長了定性分析的時(shí)間，反復(fù)地機(jī)械改進(jìn)也會增加生產(chǎn)廠家的成本。但是利用3D動(dòng)畫軟件進(jìn)行農(nóng)業(yè)機(jī)械的定性分析，在得到分析結(jié)果后設(shè)計(jì)人員做出的改動(dòng)可以直接通過三維建模加以實(shí)現(xiàn)，有效縮短了農(nóng)業(yè)機(jī)械的定性分析時(shí)間，另外在定性分析時(shí)也可以對農(nóng)業(yè)機(jī)械模型進(jìn)行微調(diào)，為農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，便于設(shè)計(jì)人員更好地完成農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)工作。

23D動(dòng)畫軟件的應(yīng)用

2.1模型構(gòu)建

利用3D動(dòng)畫呈現(xiàn)進(jìn)行農(nóng)業(yè)機(jī)械定性分析時(shí)，3D建模過程主要分為兩個(gè)階段。首先是對農(nóng)業(yè)機(jī)械的建模，目前在農(nóng)業(yè)機(jī)械定性分析工作中常用的3D動(dòng)畫軟件例如PFC3D，并非基于CAD技術(shù)開發(fā)，因此僅僅通過單一的軟件難以進(jìn)行農(nóng)業(yè)機(jī)械的準(zhǔn)確建模。目前在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)工作中，基于CAD的3D軟件被廣泛應(yīng)用，此類軟件可以輕易實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械的建模。而后農(nóng)業(yè)機(jī)械定性分析人員需要將在SoildWorks等軟件中構(gòu)建好的3D模型導(dǎo)入到3D動(dòng)畫軟件之中，這一過程可以根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械的實(shí)際使用狀態(tài)對模型進(jìn)行簡化，但要確保其可以準(zhǔn)確反映農(nóng)業(yè)機(jī)械工作中的實(shí)際狀態(tài)。在對農(nóng)業(yè)機(jī)械三維模型進(jìn)行簡化轉(zhuǎn)換時(shí)，需要總結(jié)其力學(xué)特性變化規(guī)律，在對簡化模型進(jìn)行微調(diào)時(shí)系統(tǒng)軟件可以及時(shí)確定微調(diào)后的農(nóng)業(yè)機(jī)械力學(xué)特性，確保定性分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。在農(nóng)業(yè)機(jī)械建模完成之后，3D動(dòng)畫軟件還需要對土壤環(huán)境進(jìn)行建模。以PFC軟件為例，在進(jìn)行土壤建模時(shí)主要是利用微小的土壤顆粒實(shí)現(xiàn)對于土壤狀態(tài)的模擬，在這一過程中不同土壤顆粒間的受力關(guān)系較為簡單，受力均符合牛頓第二定律，在受力發(fā)生改變時(shí)狀態(tài)也會相應(yīng)發(fā)生變化［3］。

2.2動(dòng)態(tài)分析與測試

3D建模完成之后，便可以利用3D動(dòng)畫軟件模擬農(nóng)業(yè)機(jī)械的工作狀態(tài)，并通過3D動(dòng)畫形式加以呈現(xiàn)，完成農(nóng)業(yè)機(jī)械的定性分析工作。由于對土壤受力狀態(tài)的模擬技術(shù)還不完善，因此利用3D動(dòng)畫軟件進(jìn)行的農(nóng)業(yè)機(jī)械定性分析主要集中于犁面過程及壓實(shí)過程的受力分析，對于播種也有一定的指導(dǎo)作用。在進(jìn)行農(nóng)業(yè)機(jī)械動(dòng)態(tài)分析之前，需要對機(jī)械及土壤的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，其中農(nóng)業(yè)機(jī)械的力學(xué)參數(shù)設(shè)定在CAD模型轉(zhuǎn)換時(shí)已經(jīng)完成，因此分析人員只需要對土壤的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置［4］。最后只需要根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械的實(shí)際工作狀態(tài)設(shè)計(jì)其在3D動(dòng)畫中的運(yùn)動(dòng)方式及運(yùn)動(dòng)軌跡，便可以對其進(jìn)行定性分析。分析人員可以通過3D動(dòng)畫直觀地觀察土壤狀態(tài)的改變，同時(shí)通過信息處理軟件可以得到土壤在這一過程中單位力學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)，最后經(jīng)過軟件分析得到力學(xué)特性變化曲線。除了對農(nóng)業(yè)機(jī)械運(yùn)行過程中的土壤受力狀態(tài)進(jìn)行分析之外，使用3D動(dòng)畫技術(shù)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)過程中存在的問題并加以解決。運(yùn)用傳統(tǒng)的3D建模技術(shù)雖然可以將設(shè)計(jì)圖上的設(shè)計(jì)立體化，但是對靜態(tài)模型的分析只能優(yōu)化設(shè)計(jì)尺寸等參數(shù)，不能真正結(jié)合農(nóng)業(yè)機(jī)械的工作實(shí)際進(jìn)行設(shè)計(jì)的優(yōu)化。而使用SoildWorks等3D動(dòng)畫軟件便可以實(shí)現(xiàn)對于農(nóng)業(yè)機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)的模擬，設(shè)計(jì)人員可以全面了解農(nóng)業(yè)機(jī)械運(yùn)行過程中內(nèi)部各零件的工作狀態(tài)，便于發(fā)現(xiàn)潛在的設(shè)計(jì)問題并加以調(diào)整。同時(shí)在3D動(dòng)畫軟件中可以對農(nóng)業(yè)機(jī)械不同的運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行模擬，3D動(dòng)畫技術(shù)人員可以通過環(huán)境的設(shè)定，模擬不同地形及氣候條件。設(shè)計(jì)人員可以了解不同環(huán)境下農(nóng)業(yè)機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)的變化趨勢，對于農(nóng)業(yè)機(jī)械的整體運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行定性分析［5］。隨著信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，目前在農(nóng)業(yè)機(jī)械3D動(dòng)畫模擬過程中也可以使用數(shù)據(jù)庫技術(shù)，數(shù)據(jù)庫中可以儲存不同的農(nóng)業(yè)機(jī)械模型及環(huán)境數(shù)據(jù)，在模擬中不僅可以節(jié)省大量的建模時(shí)間，還可以在進(jìn)行農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)調(diào)整時(shí)直接調(diào)取相應(yīng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，節(jié)省調(diào)整時(shí)間并為設(shè)計(jì)人員提供更豐富的選擇，便于設(shè)計(jì)人員進(jìn)行方案的優(yōu)化。

3結(jié)束語

隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的不斷升級，對于農(nóng)業(yè)機(jī)械的要求也是與日俱增，對農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)提出了更高的要求，農(nóng)業(yè)機(jī)械定性分析工作也需要進(jìn)行升級。近年來，PFC3D等3D動(dòng)畫軟件被引入到農(nóng)業(yè)機(jī)械定性分析之中，通過3D動(dòng)畫的呈現(xiàn)，分析工作更加直觀并節(jié)約了成本，可以對多種土壤條件進(jìn)行模擬，并得到力學(xué)特性變化曲線，同時(shí)可以對整體運(yùn)行狀況進(jìn)行模擬分析，讓定性分析工作更加全面精確，更好地助力了農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造行業(yè)的發(fā)展。

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作者：朱羚瑋 單位：西安歐亞學(xué)院