農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中有限元分析軟件的應(yīng)用研究

潘彥江

（定西中醫(yī)藥科技中等專業(yè)學(xué)校，甘肅 定西 743311）

有限元分析是用某種數(shù)學(xué)近似方法模擬真實(shí)的物理系統(tǒng)，用簡單的模型、相關(guān)的單元和固定數(shù)量的未知數(shù)來恢復(fù)無限大的未知系統(tǒng)。有限元分析分為三個(gè)步驟：預(yù)處理、分析和后處理，對(duì)幾何進(jìn)行了相應(yīng)的簡化，簡化了復(fù)雜的工程問題，從而對(duì)結(jié)果進(jìn)行建模、分析和計(jì)算，為機(jī)械設(shè)計(jì)提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，提高機(jī)械設(shè)計(jì)效率[1-2]。在實(shí)際設(shè)備加工前檢驗(yàn)相關(guān)性能的合理性，可以節(jié)約材料，減少時(shí)間成本，提高工作效率。例如，通過有限元分析軟件，分析設(shè)備結(jié)構(gòu)有限元模型單元的力學(xué)性能，并根據(jù)力平衡條件與邊界條件的聯(lián)系，形成整體剛度矩陣，對(duì)應(yīng)變和應(yīng)力進(jìn)行求解，也就是靜力學(xué)分析。通過分析求解出的應(yīng)變和應(yīng)力，可以優(yōu)化零件的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，通過相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以很好地優(yōu)化各部件的截面形狀和尺寸，不僅可以提高零件的剛度和強(qiáng)度，還可以降低制造成本，盡可能滿足更多的性能要求。針對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化來說，主要分為四個(gè)方面：截面優(yōu)化、形狀優(yōu)化、外觀優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可以大大提高結(jié)構(gòu)的性能或減輕結(jié)構(gòu)的重量，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)的目的。在降低原有質(zhì)量的同時(shí)，還可以進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的剛度，縮短開發(fā)周期，獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

1 我國農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

農(nóng)業(yè)機(jī)械的工作環(huán)境與工作對(duì)象具有復(fù)雜性與隨機(jī)性，這一定程度上對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械自身的開發(fā)工作造成影響?，F(xiàn)階段，我國基本上還在沿用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式，因此在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手段和方法上無法與現(xiàn)有工作環(huán)境相匹配，并且形成完整理論的體系較少，大多都是定性理論，需要在其他相關(guān)或類似專業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)驗(yàn)的幫助下，利用類比法設(shè)計(jì)計(jì)算。加入世界貿(mào)易組織后，我國市場(chǎng)隨之開放，大量國外農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)入我國市場(chǎng)，對(duì)我國農(nóng)產(chǎn)品市場(chǎng)產(chǎn)生了很大的影響，同時(shí)也造成我國農(nóng)業(yè)機(jī)械市場(chǎng)受到來自國外主要農(nóng)業(yè)機(jī)械制造商的威脅[3]。在國家農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化程度不斷提高的情況下，在對(duì)新型農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行研發(fā)時(shí)還是沿用較為傳統(tǒng)的研究方式。因此，為了提高農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品中的科技含量并縮短設(shè)計(jì)時(shí)長、減少生產(chǎn)成本，可以引進(jìn)先進(jìn)的設(shè)計(jì)方式。

在進(jìn)行農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)較為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)就是農(nóng)業(yè)機(jī)械中相關(guān)零部件的應(yīng)力與變形問題，為對(duì)強(qiáng)度與剛度等進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)提供相關(guān)可靠數(shù)據(jù)。農(nóng)業(yè)機(jī)械中的零件基本上可以看作是由桿、板、殼、塊等組成的結(jié)構(gòu)。不超過彈性限度，農(nóng)機(jī)產(chǎn)品中零件的應(yīng)力、變形和移位等問題可以用彈性方程來形容和解決。此外，用數(shù)學(xué)思想來看，相關(guān)偏微分方程能夠描述一個(gè)工程分析問題，例如流體力學(xué)與彈性力學(xué)的基本方程等。但是由于相關(guān)方程式自身的復(fù)雜性，大大增加了偏微分方程得出精確解的難度。因此，非常有必要找尋能夠有效解決以上問題的方法，以此獲得能夠滿足工程精度要求的近似解。

現(xiàn)階段，一些有效的數(shù)值解法已經(jīng)被成功找到，如有限元法和有限差分法等。其中，在相關(guān)工程中有限元法的應(yīng)用較頻繁，有限元法是利用高速電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算的一種有效的數(shù)值計(jì)算方法[4]。有限元法的最大優(yōu)勢(shì)就是模擬結(jié)構(gòu)時(shí)能夠使用多種單元類型和節(jié)點(diǎn)幾何狀態(tài)進(jìn)行描述，以此來適應(yīng)各種復(fù)雜的邊界形狀和邊界條件，同時(shí)還可以對(duì)一些較為復(fù)雜零件的應(yīng)力與變形問題進(jìn)行精確計(jì)算。

2 有限元法的基本思想

有限元法的基本思想是將一個(gè)連續(xù)的結(jié)構(gòu)變?yōu)橐幌盗袉卧?，單元之間用節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，并接受同等的節(jié)點(diǎn)荷載。單元內(nèi)部點(diǎn)的待求解數(shù)量是能夠由單元節(jié)點(diǎn)數(shù)通過選定的函數(shù)關(guān)系獲得的。因?yàn)閱卧螒B(tài)較為簡潔，很容易根據(jù)平衡或能量關(guān)系創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)數(shù)量之間的單元方程。依據(jù)相關(guān)變形協(xié)調(diào)要求，將這些單元方程解組合成整體代數(shù)方程組，求解之前要將其計(jì)入邊界條件[5]。之所以能夠稱為“有限元法”，主要是因?yàn)閱卧凸?jié)點(diǎn)的數(shù)量是有限的，想要得出較為精確的計(jì)算結(jié)果，就需要認(rèn)真對(duì)單元進(jìn)行合理劃分。因此，為了將有限元分析軟件的優(yōu)點(diǎn)充分發(fā)揮出來，提升農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)水平，設(shè)計(jì)者需要對(duì)其進(jìn)行合理應(yīng)用。在這種背景下，農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)才會(huì)體現(xiàn)出較強(qiáng)的科技感，從而有效推進(jìn)我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化穩(wěn)定、可持續(xù)發(fā)展。

3 有限元法的基本步驟

為了能夠在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中合理并充分應(yīng)用有限元分析軟件，相關(guān)研發(fā)設(shè)計(jì)人員應(yīng)該根據(jù)有限元法的基本步驟，對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)逐步進(jìn)行改善和優(yōu)化。有限元法的基本步驟如下：結(jié)構(gòu)離散化→單元特性分析→單元組解→方程求解。

3.1 結(jié)構(gòu)離散化

針對(duì)這一部分，相關(guān)研發(fā)設(shè)計(jì)人員可以將原本具有連續(xù)性的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄠€(gè)離散化單元，單元的表現(xiàn)形式可以是各種形態(tài)的，如曲邊四邊形、三角形、矩形等[6-7]。在對(duì)物體所對(duì)應(yīng)的多種形態(tài)、計(jì)算效率等方面進(jìn)行充分考慮的前提下，對(duì)單元形態(tài)和數(shù)量進(jìn)行科學(xué)合理的調(diào)控。

3.2 分析單元特性

分析單元特性時(shí)，為了將單元面積小、形狀簡單的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行充分展現(xiàn)，相關(guān)研發(fā)設(shè)計(jì)人員需要依據(jù)單元類型選擇合適的函數(shù)。例如，借助位移函數(shù)，詳細(xì)說明每個(gè)單元的實(shí)際位移分布。在此前提下，利用單元的力等效作用，使節(jié)點(diǎn)荷載的移動(dòng)自動(dòng)化。與此同時(shí)，合理利用與之相關(guān)的幾何方程，與虛功原理相聯(lián)系下，構(gòu)建多單元節(jié)點(diǎn)位移與節(jié)點(diǎn)力之間的函數(shù)表達(dá)式。

3.3 單元組解和方程求解

單元組解過程中，相關(guān)研發(fā)設(shè)計(jì)人員需要依據(jù)與彈性結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的邊界條件，盡最大努力確保力的平衡性，從而有效將各個(gè)單元進(jìn)行關(guān)聯(lián)，使之形成一個(gè)線性方程組。完成單元組解環(huán)節(jié)后，就要進(jìn)行方程求解環(huán)節(jié)，對(duì)實(shí)際位移和單元應(yīng)力值的數(shù)據(jù)進(jìn)行合理、精確的計(jì)算。

4 有限元分析軟件

20世紀(jì)40年代初就有人提出有限元法的基本思想，電子計(jì)算機(jī)出現(xiàn)后才真正將其應(yīng)用在相關(guān)工程中?！坝邢拊ā边@個(gè)名稱的首次出現(xiàn)是在美國的克拉夫的論文中，之后逐漸得到應(yīng)用。一直到20世紀(jì)80年代初，國內(nèi)外出現(xiàn)了超過百種的有限元軟件，如ANSYS、ASKA、ADINA、SAP等。有限元軟件功能愈加完善，既包括有限元分析程序，還具有強(qiáng)大的預(yù)處理程序和后處理程序。有限元分析軟件主要由三部分構(gòu)成：有限元前處理、有限元分析、有限元后處理。

4.1 有限元前處理

這部分主要包括構(gòu)建幾何模型、劃分有限元網(wǎng)格等，從計(jì)算模型形成、分析、驗(yàn)證、輸入等方面入手，實(shí)現(xiàn)拓?fù)?、材料、幾何等相關(guān)數(shù)據(jù)的綜合采集和整合。

4.2 有限元分析

有限元分析主要包括兩種類別：單元分析和整體分析，都是相關(guān)人員為了求出位移、應(yīng)力值和其他參數(shù)的精確解。

4.3 有限元后處理

實(shí)際應(yīng)用有限元后處理過程中，在分析確定計(jì)算結(jié)果的前提下，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和儲(chǔ)存。最終數(shù)據(jù)將以圖形方式，形象直觀地展現(xiàn)給相關(guān)研發(fā)設(shè)計(jì)人員，有利于相關(guān)研發(fā)設(shè)計(jì)人員隨時(shí)查看和使用，保障相關(guān)研發(fā)設(shè)計(jì)人員對(duì)最終設(shè)計(jì)結(jié)果有清晰、整體的判斷，方便之后對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行合理改進(jìn)。

5 農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用有限元軟件的案例分析

農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用有效元分析軟件的效果展示，可以以“YFC-1.7型方草捆撿拾壓捆機(jī)”為例，借助有限元分析軟件，從模擬仿真、結(jié)構(gòu)調(diào)整和設(shè)計(jì)優(yōu)化三個(gè)環(huán)節(jié)入手，設(shè)計(jì)并分析壓縮機(jī)構(gòu)，使設(shè)計(jì)方法的可行性和有效性得到有效保障，從而最大限度地降低試制成本，同時(shí)也要保障方草捆撿拾壓捆機(jī)能夠穩(wěn)定、安全地使用[8]。因此，采用SolidWorks三維建模對(duì)壓縮機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和驗(yàn)證，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決壓縮機(jī)構(gòu)中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題，從而提高壓捆機(jī)的工作性能。SolidWorks是較為普遍的有限元分析軟件，主要是運(yùn)用有限元分析技術(shù)將分析軟件與SolidWorks進(jìn)行連接，在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中發(fā)揮著重要作用[9-10]。

5.1 SolidWorks三維建模

對(duì)壓縮機(jī)構(gòu)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，壓縮活塞起著至關(guān)重要的作用。壓縮活塞的旋轉(zhuǎn)速度很高，具有較為明顯的慣性力并且旋轉(zhuǎn)速度變化幅度較大，導(dǎo)致壓縮機(jī)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生極大的震動(dòng)。對(duì)移動(dòng)摩擦式活塞中存在的問題進(jìn)行有效改善的重點(diǎn)就是相關(guān)人員重視使用滾輪式活塞。滾輪式活塞內(nèi)配置多個(gè)專用滾輪，當(dāng)活塞移動(dòng)時(shí)，滾輪將自動(dòng)沿著壓捆室中設(shè)置的軌道有序滾動(dòng)，將原有的移動(dòng)摩擦迅速轉(zhuǎn)化為滾動(dòng)摩擦，有效提高活塞的工作性能。通過SolidWorks有限元分析軟件構(gòu)建活塞三維模型。

5.2 飼草壓捆機(jī)結(jié)構(gòu)分析

1）建立樣機(jī)模型。依據(jù)具體要求和標(biāo)準(zhǔn)，創(chuàng)建活塞三維幾何模型。

2）定義約束。要?jiǎng)?chuàng)建正確的有限元模型，就需要相應(yīng)正確的定義與合理的約束，以此保證有限元模型的正確與合理性。

3）定義荷載。應(yīng)用MATLAB，并結(jié)合相關(guān)方程式與力學(xué)公式，對(duì)壓縮機(jī)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。通過機(jī)構(gòu)中滑塊的數(shù)據(jù)變化，清晰地將壓縮機(jī)構(gòu)的工作過程進(jìn)行展現(xiàn)，且效果良好。由于該軟件數(shù)據(jù)可視化，相關(guān)人員可以根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行合理分析，從而對(duì)壓捆機(jī)的實(shí)際荷載量進(jìn)行定義。

4）添加材料。在挑選合適材料時(shí)，要依據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)的相關(guān)要求與標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也要與相應(yīng)幾何模型進(jìn)行充分結(jié)合，設(shè)置材料密度、泊松、彈性模量等。

5）創(chuàng)建有限元模型。在進(jìn)行相關(guān)計(jì)算前，研發(fā)設(shè)計(jì)人員需要將幾何模型轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬?duì)應(yīng)的有限元模型，要想實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)學(xué)相關(guān)觀點(diǎn)的準(zhǔn)確性總結(jié)，就需要有限元模型。在此前提下，研發(fā)設(shè)計(jì)人員要合理應(yīng)用SolidWorks的預(yù)處理功能，創(chuàng)建有效的活塞有限元模型。

6）運(yùn)行求解。由于SolidWorks內(nèi)部具有Simulation功能，可以為研發(fā)設(shè)計(jì)人員提供多種求解方式。第一，Current LS求解方式。依據(jù)目前荷載設(shè)置結(jié)果，進(jìn)行求解。第二，F(xiàn)rom LS Files求解。讀取相關(guān)荷載數(shù)據(jù)并保存在指定文件中，并且需要將這些數(shù)據(jù)應(yīng)用在幾何模型上，有利于日后進(jìn)行求解工作。第三，Partial Solu求解。對(duì)局部進(jìn)行求解，針對(duì)性強(qiáng)，效率高。第四，Adaptive Mesh求解。該方法適用于自適應(yīng)網(wǎng)格精確化求解。第五，Topologic opt求解。此方式能夠確保拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的最后優(yōu)化效果。

7）后處理。后處理器主要用于查看最終結(jié)果，結(jié)果文件中經(jīng)常使用兩種輸出模式，分別是圖形顯示與數(shù)據(jù)列表顯示。針對(duì)SolidWorks來講，其仿真程序相應(yīng)的后處理部分主要包括兩類，一類是通用后處理模塊，另一類是時(shí)間歷程后處理模塊。運(yùn)用應(yīng)力等值線可以準(zhǔn)確地描述和總結(jié)活塞幾何模型的應(yīng)力變化規(guī)律，同時(shí)，相關(guān)研發(fā)設(shè)計(jì)人員需要將活塞幾何模型中的危險(xiǎn)區(qū)域及時(shí)快速地進(jìn)行定義。此外，還可以通過圖形窗口形成多個(gè)應(yīng)力等值線，這些應(yīng)力等值線能夠持續(xù)通過整個(gè)活塞幾何模型。最后，應(yīng)根據(jù)后處理要求對(duì)壓縮活塞的工作性能進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)。在此過程中，需要借助壓縮力，科學(xué)合理地控制與調(diào)整中間擋板的應(yīng)力狀態(tài)，使其不會(huì)因?yàn)閴嚎s力過大而產(chǎn)生嚴(yán)重變形。另外，在符合零件的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求的前提下，對(duì)中間擋板結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)與優(yōu)化改造，以此保證活塞的變形程度。

6 結(jié)束語

綜上，基于在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用有限元分析軟件的背景，借助SolidWorks軟件功能，科學(xué)合理地設(shè)計(jì)壓縮機(jī)構(gòu)中的活塞部分，以優(yōu)化和改進(jìn)活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程，以此確保農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，為后續(xù)工作夯實(shí)基礎(chǔ)。另外，在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中，有效融合先進(jìn)設(shè)計(jì)理念，可以從虛擬機(jī)分析、評(píng)估、檢測(cè)、改造等環(huán)節(jié)入手，對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品的使用性能進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)，有效縮短農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品的研發(fā)時(shí)長，并降低開發(fā)成本。