農(nóng)業(yè)機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法綜述

趙 勻

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030）

隨著科技的發(fā)展，許多新的成果被引入優(yōu)化設(shè)計(jì)，特別是信息化技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了設(shè)計(jì)方法的革命，開發(fā)了系列軟件，其中包括：CAD、ANSYS、ADAMS、VB、VC等，這些軟件各有特色，在應(yīng)用上相互交叉。其中CAD軟件是應(yīng)用最廣，對(duì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展影響最大的軟件，完全代替了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，使設(shè)計(jì)更加快捷方便，且具有記憶功能，使傳輸、保存、調(diào)用更加方便。ADAMS軟件不但具備虛擬制造、試驗(yàn)和測(cè)試功能，而且通過二次開發(fā)還可以優(yōu)化參數(shù)，VB和VC軟件具有較強(qiáng)的可視性，適合機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)目標(biāo)的優(yōu)化。優(yōu)化是現(xiàn)代設(shè)計(jì)的核心技術(shù)?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)思想和方法大大推動(dòng)了制造業(yè)的發(fā)展；反過來，每個(gè)設(shè)計(jì)者必須掌握現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，并熟練使用各種軟件工具。

在國際上，航空、航天、汽車、軍工制造業(yè)等率先使用現(xiàn)代設(shè)計(jì)的新技術(shù)，農(nóng)機(jī)制造業(yè)相對(duì)滯后，一般來說在上個(gè)世紀(jì)相差3～5年，到本世紀(jì)時(shí)差縮短到1～3年。在上世紀(jì)80年代后期，中國開始引入CAD技術(shù)。到本世紀(jì)已經(jīng)推廣到高校、研究院所和企業(yè)，隨著應(yīng)用和推廣，CAD技術(shù)不斷完善和拓寬，功能更加強(qiáng)大，現(xiàn)在任何機(jī)械設(shè)計(jì)單位如果在設(shè)計(jì)中不使用CAD軟件幾乎不可思議。其他軟件也有了不同程度的應(yīng)用，中國技術(shù)力量的構(gòu)架決定現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和軟件工具首先被研究型高等院校應(yīng)用，之后是普通院校和大型研究所，最后逐漸轉(zhuǎn)入生產(chǎn)企業(yè)。但是現(xiàn)代設(shè)計(jì)的核心——系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)在國內(nèi)應(yīng)用較少，僅僅局限在個(gè)別的學(xué)科領(lǐng)域，這是因?yàn)橄到y(tǒng)優(yōu)化首先要建立理論模型、采用適宜的優(yōu)化方法、設(shè)計(jì)相關(guān)的優(yōu)化軟件的基礎(chǔ)上，是一個(gè)難度很大的系統(tǒng)工程。例如，應(yīng)用較為普遍的航空、導(dǎo)彈理論研究面對(duì)的介質(zhì)是空氣，其物理性質(zhì)相對(duì)變化較??；而農(nóng)業(yè)機(jī)械所處理各種物料，其物理性質(zhì)差異很大，理論研究和優(yōu)化方法有其特殊性，不能照搬其他理論和方法?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用如果包括了系統(tǒng)優(yōu)化則必須建立設(shè)計(jì)平臺(tái)。本文在介紹現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的同時(shí)也將介紹課題組在建設(shè)平臺(tái)方面所做的探索性工作。

1 平臺(tái)的內(nèi)容

1.1 創(chuàng)新方法的建立

農(nóng)業(yè)機(jī)械的創(chuàng)新有特殊性也有其普遍性。農(nóng)業(yè)機(jī)械的創(chuàng)新首先是機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新，新的機(jī)構(gòu)能夠完成傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)所不能完成的技術(shù)要求。機(jī)構(gòu)創(chuàng)新由兩部分組成：發(fā)現(xiàn)機(jī)構(gòu)創(chuàng)新元素和找到實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新元素的實(shí)施方案。兩者都非常重要，但是對(duì)不同的項(xiàng)目，相對(duì)難度有所不同：有的發(fā)現(xiàn)創(chuàng)新元素難度大[1]，有的尋求實(shí)施方案難度更大。

1.2 理論研究成果

理論研究是設(shè)計(jì)優(yōu)化、虛擬試驗(yàn)和測(cè)試軟件的基礎(chǔ)。理論創(chuàng)新的主要目的是參數(shù)優(yōu)化，優(yōu)化是設(shè)計(jì)的核心。理論研究從理論分析開始，通過理論演繹或?qū)嶒?yàn)回歸建立數(shù)學(xué)模型和目標(biāo)函數(shù)，設(shè)計(jì)軟件。理論研究的成果包括專著、文章以及歷屆研究生論文，是現(xiàn)代設(shè)計(jì)平臺(tái)的重要內(nèi)容。

1.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件

市場(chǎng)上出售的各種軟件是設(shè)計(jì)者的工具，其功能越來越強(qiáng)，應(yīng)用面越來越廣，農(nóng)機(jī)研究者必須掌握。掌握軟件的使用方法主要不是依靠課堂教學(xué)，而是依靠工程實(shí)踐和實(shí)踐過程中的指導(dǎo)。一般來說，老師應(yīng)該有研究課題，學(xué)生（本科和研究生）在完成研究的工作中，通過高年級(jí)學(xué)生指導(dǎo)低年級(jí)學(xué)生，將軟件的使用方法傳承下來。盡管市場(chǎng)軟件具有強(qiáng)大的功能，可以完成虛擬制造、試驗(yàn)和測(cè)試工作，但是沒有二次開發(fā)就不能進(jìn)行設(shè)計(jì)的核心工作——參數(shù)優(yōu)化。沒有精準(zhǔn)的參數(shù)優(yōu)化，后面的虛擬制造、試驗(yàn)和測(cè)試工作就沒有意義，這些工作的目的是驗(yàn)證參數(shù)優(yōu)化的精準(zhǔn)程度。農(nóng)業(yè)機(jī)械的多參數(shù)、強(qiáng)耦合性、模糊性、非線性復(fù)雜多目標(biāo)優(yōu)化是一項(xiàng)難度很大的工作，傳統(tǒng)的優(yōu)化方法難以完成。筆者提出了“復(fù)優(yōu)化”和“參數(shù)導(dǎo)引”優(yōu)化方法，在以上方法指導(dǎo)下，設(shè)計(jì)了“傻瓜”化和全自動(dòng)軟件，成功的解決了以上復(fù)雜的優(yōu)化問題，轉(zhuǎn)讓總金額達(dá)70萬元。要求研究生對(duì)自己所研究的核心工作部件用以上優(yōu)化方法建立系統(tǒng)的優(yōu)化軟件，軟件同時(shí)具有虛擬制造、試驗(yàn)和測(cè)試的功能，也希望通過辦培訓(xùn)班使師生掌握設(shè)計(jì)軟件的方法。

1.4 試驗(yàn)臺(tái)架

完成了以上優(yōu)化和虛擬試驗(yàn)工作，下一步是試驗(yàn)臺(tái)架和核心工作部件的研制，在臺(tái)架上做核心工作部件的性能和可靠性試驗(yàn)，在完成以上工作程序后，進(jìn)行整機(jī)設(shè)計(jì)和田間試驗(yàn)。目前，課題組在已完成省級(jí)重點(diǎn)項(xiàng)目“農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造平臺(tái)的開發(fā)與應(yīng)用”的基礎(chǔ)上，將探索各種核心部件優(yōu)化后的計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成設(shè)計(jì)圖紙的工作。

1.5 隊(duì)伍建設(shè)

平臺(tái)建設(shè)的關(guān)鍵是培養(yǎng)一支熟練掌握現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和工具的隊(duì)伍。首先，隊(duì)伍的核心成員具有深厚的理論基礎(chǔ)，包括數(shù)學(xué)、工程力學(xué)、機(jī)械原理等基礎(chǔ)及專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，特別是具備利用所學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力，例如利用數(shù)學(xué)知識(shí)解決工程力學(xué)問題，利用數(shù)學(xué)、工程力學(xué)知識(shí)解決機(jī)械原理問題，以及利用以上基礎(chǔ)知識(shí)解決農(nóng)業(yè)機(jī)械理論問題。這方面能力依靠在科研過程中逐漸培養(yǎng)，國家自然科學(xué)基金完成過程是培養(yǎng)這方面能力的最好平臺(tái)。

2 建立平臺(tái)的意義

2.1 農(nóng)業(yè)機(jī)械的研究難度

季節(jié)性強(qiáng)：農(nóng)業(yè)機(jī)械成功需要田間試驗(yàn)驗(yàn)證，但是每年田間試驗(yàn)的時(shí)間短，一旦機(jī)器出現(xiàn)問題，就可能錯(cuò)過了試驗(yàn)季節(jié)，只好等待下一年的試驗(yàn)，所以一般農(nóng)業(yè)機(jī)械的研究周期較長(zhǎng)。

環(huán)境惡劣：表現(xiàn)在兩個(gè)方面：農(nóng)機(jī)作業(yè)環(huán)境變化大，作業(yè)條件差；農(nóng)業(yè)機(jī)械處理的物料包括土壤、莖稈、果實(shí)、幼苗、種子等，物理性能差異很大。

造價(jià)低廉：農(nóng)業(yè)產(chǎn)品價(jià)格低決定了機(jī)器造價(jià)必須同樣價(jià)格低廉。

適應(yīng)寬泛：中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域氣候環(huán)境差異大，同樣作物生產(chǎn)方式各不相同，好的農(nóng)業(yè)機(jī)械應(yīng)該具有寬泛的適應(yīng)性。

競(jìng)爭(zhēng)激烈：近年來外資企業(yè)紛紛在中國建廠，它們具有雄厚的技術(shù)和資金實(shí)力，國內(nèi)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力主要在于適應(yīng)中國的農(nóng)藝要求和高性價(jià)比，與國外產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵是研發(fā)周期的長(zhǎng)短，縮短研發(fā)周期的主要手段是掌握現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和建立研發(fā)平臺(tái)。

2.2 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)

現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的核心是參數(shù)優(yōu)化、虛擬制造、試驗(yàn)和測(cè)試，它的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在以下三方面：

縮短周期：農(nóng)業(yè)機(jī)械的研究和設(shè)計(jì)工作主要在室內(nèi)通過計(jì)算機(jī)和臺(tái)架試驗(yàn)完成，解決了農(nóng)機(jī)研究的季節(jié)性問題。從課題組的研究成果看，所轉(zhuǎn)讓的14臺(tái)樣機(jī)田間性能試驗(yàn)均一次性成功，這樣就大大縮短了研發(fā)周期。

降低成本：研制樣機(jī)資金投入最大，由于樣機(jī)成功率高，大大降低了研究成本。

精準(zhǔn)度高：采用了先進(jìn)的優(yōu)化方法，優(yōu)化精度高，所設(shè)計(jì)研制的機(jī)器性能更接近目標(biāo)的理想值。

3 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法介紹

現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的核心是優(yōu)化參數(shù)，本文作者提出了一種新的優(yōu)化方法，命名為“參數(shù)導(dǎo)引”優(yōu)化方法。該方法通過目標(biāo)函數(shù)的計(jì)算，告之每次需要改變的參數(shù)，通過逐次逼近目標(biāo)理想值，最后使所有目標(biāo)函數(shù)計(jì)算值與目標(biāo)函數(shù)理想值的差值小于預(yù)定的系列微小值。系列理想目標(biāo)中每個(gè)理想目標(biāo)是一個(gè)范圍而不是唯一值。嚴(yán)格意義上，所獲得的參數(shù)解非最優(yōu)解，稱之為“非劣解”，有無限多組參數(shù)滿足目標(biāo)要求，每次優(yōu)化所獲得的參數(shù)值相近但不相同，形成“非劣解”群。針對(duì)需要解決動(dòng)力學(xué)目標(biāo)優(yōu)化的問題，作者提出了“復(fù)優(yōu)化”方法：作者應(yīng)用“參數(shù)導(dǎo)引”優(yōu)化方法，針對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)目標(biāo)優(yōu)化參數(shù)，將“非劣解”群的邊界作為約束條件，以動(dòng)力學(xué)工況作為優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)優(yōu)化，得到既滿足運(yùn)動(dòng)學(xué)目標(biāo)又達(dá)到動(dòng)力學(xué)目標(biāo)要求的參數(shù)值。

現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的程序見圖1。

圖1 理論設(shè)計(jì)工作流程Fig.1 Flow of theory design

程序第一步是方案確定，包括調(diào)研、分析，最后確定方案。方案確定一定要慎之又慎。一般新涉足研究領(lǐng)域者，往往不重視方案的研究，想到一個(gè)方案，沒有群策群力，拿起來就做，結(jié)果南轅北轍，花費(fèi)了大量時(shí)間和資金，最后還要從頭做起。緊接著下一個(gè)步驟是理論分析，通過理論演繹建立模型，或者通過試驗(yàn)研究，回歸分析，建立模型。在以上工作的基礎(chǔ)上建立目標(biāo)函數(shù)，這是能精準(zhǔn)優(yōu)化參數(shù)的關(guān)鍵一步，也是應(yīng)用“參數(shù)導(dǎo)引”優(yōu)化方法的前提。在VB平臺(tái)上設(shè)計(jì)軟件，軟件要具備優(yōu)化參數(shù)、虛擬制造、試驗(yàn)和測(cè)試的功能。優(yōu)化參數(shù)是整個(gè)程序中最為重要的一步，優(yōu)化參數(shù)的效率和精準(zhǔn)度是整個(gè)設(shè)計(jì)過程水平的體現(xiàn)。

從圖1看出，現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)方法比較，在整個(gè)過程中增加了大量的新的內(nèi)容，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)程序所占的比例很小，保留了研制樣機(jī)和田間試驗(yàn)兩個(gè)傳統(tǒng)的步驟，其中機(jī)械設(shè)計(jì)由CAD軟件繪圖改為自動(dòng)生成圖紙。雖然增加了許多新的工作程序，但是大大提高了設(shè)計(jì)的成功率和縮短了設(shè)計(jì)周期。

4 現(xiàn)代設(shè)計(jì)軟件界面

“參數(shù)導(dǎo)引”優(yōu)化方法在VB平臺(tái)上建立的軟件界面見圖2。軟件利用了VB平臺(tái)的可視性功能，通過點(diǎn)擊界面頂端進(jìn)入不同的虛擬功能頁面，界面最右端是優(yōu)化過程中與目標(biāo)相關(guān)的重要數(shù)據(jù)。顯示重要數(shù)據(jù)的界面左邊，是系列目標(biāo)函數(shù)，以權(quán)重大小，從上到下排列。每項(xiàng)目標(biāo)下面是由長(zhǎng)方形塊連接成的橫線，紅色長(zhǎng)方形塊形成的紅線越長(zhǎng)越接近理想目標(biāo)值，黑色長(zhǎng)方形塊組成的黑線，表明未達(dá)到基本的目標(biāo)要求，黑線越長(zhǎng)離目標(biāo)值越遠(yuǎn)。界面的左下端是主要優(yōu)化參數(shù)，每個(gè)參數(shù)方框中顯示優(yōu)化過程中的參數(shù)值，參數(shù)的右方是正步進(jìn)和負(fù)步進(jìn)按鈕。軟件使用非常方便，事先輸入優(yōu)化目標(biāo)理想值，優(yōu)化開始后，通過目標(biāo)函數(shù)計(jì)算將計(jì)算值與各目標(biāo)理想值比較，找出應(yīng)該改變的參數(shù)。如果需要正步進(jìn)則該參數(shù)的正步進(jìn)按鈕閃爍，如果需要負(fù)步進(jìn)則負(fù)步進(jìn)按鈕閃爍。操作者只需點(diǎn)擊閃爍按鈕，則相當(dāng)于完成了一次正或負(fù)步進(jìn)的參數(shù)改變。重復(fù)以上過程，直至所有按鈕不再閃爍，此時(shí)所有目標(biāo)下呈紅色長(zhǎng)條，優(yōu)化過程結(jié)束，各參數(shù)值為優(yōu)化后參數(shù)。全自動(dòng)優(yōu)化軟件操作更加簡(jiǎn)單，只要啟動(dòng)優(yōu)化程序，操作者不用再做任何人機(jī)對(duì)話，直至優(yōu)化結(jié)束，界面顯示優(yōu)化結(jié)果。

圖2 “參數(shù)導(dǎo)引”優(yōu)化軟件界面Fig.2 "Parameter guided"optimization software

5 小 結(jié)

現(xiàn)代設(shè)計(jì)軟件包括兩種：市場(chǎng)出售的各種軟件和自編的優(yōu)化、虛擬試驗(yàn)和測(cè)試軟件。自編軟件需要做大量的理論和試驗(yàn)研究工作，市場(chǎng)出售的各種軟件功能越來越強(qiáng)大，可以做虛擬制造、試驗(yàn)和測(cè)試工作。如果優(yōu)化參數(shù)，則必須做二次開發(fā)。筆者認(rèn)為，在VB平臺(tái)上作機(jī)械優(yōu)化工作量相對(duì)小些。目前課題組在VB平臺(tái)上設(shè)計(jì)的軟件具有二維模擬功能，下一步工作是將二維模擬發(fā)展為三維模擬，同時(shí)具有原來的優(yōu)化參數(shù)的功能。

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