農業(yè)機械設計中空間薄壁桿系結構的有限元分析

徐廣生

（信陽市農業(yè)機械化技術試驗推廣站，河南信陽 464000）

據(jù)了解，在現(xiàn)代農業(yè)機械設計中會經(jīng)常遇到空間梁單元應力的相關計算。然而，這一計算過程是比較復雜的，尤其是關于封閉口截面的空間梁單元應力的計算，其計算過程更加繁瑣。因此有必要對相關的計算過程進行適當?shù)暮喕?，以使農業(yè)機械的設計工作變得更加簡便易操作。這對于農業(yè)機械設計工作以及后續(xù)農業(yè)事業(yè)的發(fā)展，都具有非常重要的意義。所以，本文將針對空間薄壁桿系有限元分析在農業(yè)機械設計中的應用進行研究，并且提出一些具有建設性的意見和對策。

1 農業(yè)機械設計工作當中應力計算的原因

在農業(yè)機械設計工作當中，之所以要對空間梁單元的應力進行計算，其主要的原因主要有以下幾點。

1.1 應力分布比較復雜

根據(jù)一定的受力分析和研究不難發(fā)現(xiàn)，當空間梁單元的某個截面上受到力的作用時，其應力的分布是非常不均勻的，因此有必要進行應力的計算。如果在設計過程當中，研究的只是力的作用大小以及分布規(guī)律的話，相關的設計人員只需對桿端的受力情況進行分析即可達到研究目的。另外，由于截面的應力分布情況較為復雜，下一步應力的計算過程也十分繁瑣，甚至還會出現(xiàn)不收斂的無解情況[1]。

1.2 桿端作用力的求解方法趨于成熟

就現(xiàn)階段來說，國內農業(yè)機械設計工作中桿端作用力的求解方法已經(jīng)趨于成熟。因此，在實際計算過程當中，為了避免遇到非常復雜的計算，可以利用已有且成熟的計算方法。另外，當空間薄壁桿系簡化成桿單元時，其應力的分布和計算方式與截面有著不可分開的關系，相關的設計工作人員要注意這一點。

1.3 節(jié)點的應力計算不成立

農業(yè)機械產(chǎn)品在生產(chǎn)加工的過程當中，有一些比較特殊的空間薄壁桿系結構是需要進行焊接等加工工藝的。在這種情況之下，針對某些節(jié)點的應力計算非常復雜，一般在有限元的計算當中，這些節(jié)點應力的求解結果是不收斂的。

1.4 計算過程比較繁瑣

即便可以進行相關的簡化工作，但是空間梁單元截面上的應力分布情況復雜，計算過程也比較繁瑣[2]。

2 農業(yè)機械設計工作中應力計算的方法

一般情況下，空間薄壁桿系結構截面上各節(jié)點的應力按如下公式[1]計算：

式中：{δ}e——單元內任意點的應力列陣；

δ0——拉壓應力；

δb——xoy平面內的彎曲應力；

δd——xoz平面內的彎應力；

δτ——扭轉應力；

[D]——與單元材料有關的彈性矩陣；

[B]——單元應變矩陣；

{ε}e——單元內任意點的應變列陣。

上述公式計算的是桿系結構截面上某個位置的應力矩陣，只是單一的計算結果。而想要得到整個截面的應力情況，還需要將其疊加累積。在實際的計算過程中，可以對計算模型結構進行適當簡化，運用有限元計算方法求出桿端的應力值。再將這一數(shù)值代入上式，即可求出截面的應力分布情況。

在前文已經(jīng)提及，那就是封閉截面的應力求值是一項比較困難的工作。因此，在實際的計算過程當中，同樣也需要一定的簡化操作。單論薄壁的封閉截面來說，約束扭轉正應力的占據(jù)比例是比較少的，只有3%左右，對于這一部分的應力可以忽略。另外，約束扭轉的剪應力占據(jù)的比例同樣相對較小，也可以將其忽略。

3 有限元解算程序的編制

可以利用FORTRAN語言來進行有限元的解算程序的編制。但FORTRAN語言編制出來的解算程序的結構比較模塊化，這種模塊化的結構在某種程度上是浪費了一定的單元。但是這種“浪費”[3]所起到的效果也是比較客觀的，其最重要的作用就是提高了計算的精度。在農業(yè)機械設計的工作中，最重要的一項工作就是保證計算結果的精度。因此，相關的工作人員一定要提升對于這項工作的認知，使得這項工作內容能夠得到保證。

4 結論

本文對空間薄壁桿系結構有限元分析在農業(yè)機械設計中的應用進行了相關研究和分析。從文中所述的內容可知，當前在這項工作還有比較大的進步空間。例如，應力的分析和計算過程，以及計算過程中數(shù)值的計算精度等。因此，相關工作人員在后續(xù)的工作過程中要不斷進行優(yōu)化和完善，使其能夠為這項工作帶來更多的便利。