現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在鋪膜機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

張 明 王磊元 秦翠蘭 趙群喜*

(1.阿克蘇地區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，新疆 阿克蘇 843000；2.新疆理工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，新疆 阿克蘇 843100)

1 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法概述

現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法是傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的延伸和發(fā)展，是通過現(xiàn)代的設(shè)計(jì)理念、現(xiàn)代的理論基礎(chǔ)和現(xiàn)代的手段工具開展設(shè)計(jì)的一種有效方法。農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一個(gè)重要領(lǐng)域，它既包括比較簡(jiǎn)單的日常工具和零件設(shè)計(jì)，也包括復(fù)雜的機(jī)器和裝備設(shè)計(jì)。相對(duì)于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法主要體現(xiàn)在設(shè)計(jì)的模型表征、程序規(guī)程及分析計(jì)算等方面，設(shè)計(jì)產(chǎn)品主要體現(xiàn)在高效的機(jī)械質(zhì)量和使用效率兩大優(yōu)勢(shì)基于現(xiàn)代理念、理論和工具的發(fā)展，現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法將以往靜態(tài)的、個(gè)體化的、單一性的和基于經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方式，逐步轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)測(cè)的、動(dòng)態(tài)的、協(xié)同化的、多方位的和基于科學(xué)的設(shè)計(jì)方式。因此現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在力學(xué)等科學(xué)理論、應(yīng)用數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)方法、計(jì)算機(jī)和軟件技術(shù)等實(shí)用工具發(fā)展的基礎(chǔ)上不斷產(chǎn)生和走向工程應(yīng)用，并且隨著信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和各種硬件技術(shù)的發(fā)展向更高水平邁進(jìn)。

2 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在鋪膜機(jī)上的應(yīng)用

2.1 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)是指用計(jì)算機(jī)輔助對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行各種性能的分析和模擬，包括產(chǎn)品強(qiáng)度、動(dòng)力響應(yīng)、溫度場(chǎng)、流場(chǎng)等結(jié)構(gòu)分析，以及計(jì)算機(jī)輔助機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和虛擬樣機(jī)模擬等。侯斌等人研究表明，通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)可以及時(shí)分析機(jī)械設(shè)計(jì)過程中的數(shù)據(jù)，并對(duì)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)、重要參數(shù)、系統(tǒng)功能等進(jìn)行優(yōu)化，使機(jī)械在工作工程中發(fā)揮更精準(zhǔn)的作用。河北農(nóng)業(yè)大學(xué)的李巖等人通過Auto CAD、DirectX、XML等計(jì)算機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種具有人機(jī)交互功能的農(nóng)業(yè)機(jī)械軟件，整個(gè)設(shè)計(jì)過程與人的思維高度契合，這一設(shè)計(jì)的出現(xiàn)可以大大縮短新產(chǎn)品的研發(fā)時(shí)間。通過大量實(shí)踐證明，將有限元分析及仿真分析等計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的理論和方法應(yīng)用到農(nóng)業(yè)機(jī)械研究中，是一種切實(shí)可行的方法。

2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用

優(yōu)化設(shè)計(jì)是通過計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)優(yōu)化過程，根據(jù)設(shè)計(jì)意圖建立優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)、設(shè)計(jì)變量和設(shè)計(jì)約束條件，利用該方法，借助計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力，能夠在復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)的眾多方案乃至無(wú)數(shù)方案中尋找出最優(yōu)方案。

2.3 有限元設(shè)計(jì)的應(yīng)用

有限元設(shè)計(jì)方法是目前用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)分析最常用和最普適有效的方法。該方法將連續(xù)求解區(qū)域離散為有限個(gè)單元的組合體，用每個(gè)單元內(nèi)設(shè)定的近似函數(shù)來(lái)表示該分區(qū)的未知場(chǎng)函數(shù)，并將各個(gè)單元的表達(dá)方程聯(lián)立起來(lái)，使一個(gè)連續(xù)的無(wú)限自由度問題變成離散的有限自由度問題。

2.4 其它方法的應(yīng)用

可靠性設(shè)計(jì)作為現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法之一，是保證產(chǎn)品及零部件滿足給定可靠性指標(biāo)的設(shè)計(jì)方法，其設(shè)計(jì)理念是在預(yù)測(cè)和預(yù)防產(chǎn)品所有可能發(fā)生的故障的基礎(chǔ)上，使所設(shè)計(jì)的農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)時(shí)達(dá)到規(guī)定的可靠目標(biāo)值。趙蓉等通過可靠性設(shè)計(jì)分析了參數(shù)對(duì)機(jī)械零部件可靠性的影響，通過機(jī)械零部件可靠性設(shè)計(jì)不僅可以避免傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的保守性，還可以降低零部件的失效率。另外，很多科研人員為了節(jié)約農(nóng)業(yè)機(jī)械的成本，通過故障模式找到制約機(jī)具可靠性的問題，并對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，以提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的可靠性水平。

綜上所述，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、有限元設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和手段已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到鋪膜機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)用中，并取得了一些成果。但從研究結(jié)果看，現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在鋪膜機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)用方面的水平和層次還不夠高，不能與現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)理念及手段工具并行協(xié)同。另外，由于鋪膜機(jī)與其它農(nóng)業(yè)機(jī)械相同，其設(shè)計(jì)及制造過程有自身的特點(diǎn)，而且鋪膜機(jī)的種類很多，不同作物鋪膜機(jī)設(shè)計(jì)過程差別較大，因此如創(chuàng)新設(shè)計(jì)、機(jī)電一體化設(shè)計(jì)等一系列現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在鋪膜機(jī)設(shè)計(jì)中還沒有應(yīng)用。而國(guó)外鋪膜農(nóng)機(jī)行業(yè)機(jī)電一體化程度已經(jīng)具有一定的理論和實(shí)踐水平，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到產(chǎn)品性能的測(cè)試、驗(yàn)證、通過全部流程化，規(guī)范化，國(guó)內(nèi)卻幾乎沒有人專門做這一方面的研究。

3 應(yīng)用前景

(1)農(nóng)業(yè)機(jī)械的運(yùn)用是衡量農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度的重要指標(biāo)，針對(duì)于鋪膜機(jī)的應(yīng)用，不僅要考慮農(nóng)機(jī)的適應(yīng)性、可靠性，還要兼顧農(nóng)機(jī)的成本、工作效率以及覆膜保溫保墑等問題。而目前有部分農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)者在指導(dǎo)農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)，制定農(nóng)機(jī)化發(fā)展目標(biāo)時(shí)，盲目追求某項(xiàng)作業(yè)的高指標(biāo)等問題，違背了現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法中的綠色設(shè)計(jì)理念。針對(duì)這一問題許多學(xué)者嘗試?yán)糜?jì)算機(jī)軟件進(jìn)行二次開發(fā)，設(shè)計(jì)集數(shù)據(jù)采集和處理于機(jī)電一體的農(nóng)機(jī)結(jié)構(gòu)檢測(cè)與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。實(shí)踐證明通過運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，使得農(nóng)機(jī)作業(yè)的數(shù)據(jù)記錄和處理穩(wěn)定、操作方便、易于擴(kuò)展，應(yīng)用前景廣泛。

(2)近年來(lái)，隨著各種新型鋪膜農(nóng)機(jī)不斷出現(xiàn)，對(duì)機(jī)架質(zhì)量、效率、資源和環(huán)境要求的不斷提高。許多專家學(xué)者通過運(yùn)用優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)建模方法，準(zhǔn)確地選擇了機(jī)具的磨具參數(shù)，并建立了更加合理的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)的機(jī)具獲得了良好的農(nóng)業(yè)種植效果和經(jīng)濟(jì)效益。

(3)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，有限元分析在農(nóng)業(yè)機(jī)械分析和設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)成為解決復(fù)雜的工程分析計(jì)算問題的有效途徑。有限元分析方法由于可以選用不同的單元組合方式和不同的單元形狀，故能將復(fù)雜的產(chǎn)品模型分割為每個(gè)單元幾何形狀都很簡(jiǎn)單的網(wǎng)格模型?；谠趩卧獌?nèi)的規(guī)范化表達(dá)，以及考慮邊界條件后進(jìn)行方程組的規(guī)范化求解，整個(gè)過程易于采用計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)，能夠達(dá)到對(duì)各種結(jié)構(gòu)的通用。將有限元法設(shè)計(jì)用在鋪膜農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)中，使理論設(shè)計(jì)代替了經(jīng)驗(yàn)類比設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)方法靈活性比較大，具有非常好的發(fā)展前景。

4 結(jié)語(yǔ)

在鋪膜機(jī)的設(shè)計(jì)過程中充分利用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，不僅可以對(duì)初始設(shè)計(jì)方案的機(jī)具強(qiáng)度和剛度進(jìn)行校核，也可以根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度是否滿足機(jī)具工作要求，對(duì)結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)提出改進(jìn)意見，從而指導(dǎo)設(shè)計(jì)工作。另外，優(yōu)化設(shè)計(jì)、有限元設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)是目前鋪膜機(jī)設(shè)計(jì)中常用的3種設(shè)計(jì)方法，這3種方法不僅能夠提高機(jī)械的工作效率，同時(shí)從資源環(huán)境的角度出發(fā)，也兼顧了保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源的生態(tài)理念，為鋪膜機(jī)的可持續(xù)發(fā)展提供了有利保障，也為農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)，在傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械方法中采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法理念，并用計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)學(xué)規(guī)劃的方法進(jìn)行優(yōu)化和仿真，為提高農(nóng)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力和以后新技術(shù)的改造提供了重要手段。