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

言子涵

（南京工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

1 農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計發(fā)展現(xiàn)狀

農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計需要與自身應(yīng)用環(huán)境相匹配，工作環(huán)境以及使用對象直接影響到農(nóng)機(jī)設(shè)計的開發(fā)方向。目前，農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計還停留在常規(guī)的農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計模式，農(nóng)機(jī)的設(shè)計方法和技術(shù)不能與當(dāng)前的工作環(huán)境相適應(yīng)，而且基于完整的理論體系的分析設(shè)計較少，大部分都是定性分析設(shè)計，必須借助其他相關(guān)領(lǐng)域的設(shè)計經(jīng)驗，采用類比的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。農(nóng)機(jī)零件的受力和變形是農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計中的關(guān)鍵問題，它可以為農(nóng)業(yè)機(jī)器的強(qiáng)度和剛性提供合理準(zhǔn)確的設(shè)計計算數(shù)據(jù)。農(nóng)機(jī)零件多為桿件和雜件，其構(gòu)造形式復(fù)雜多樣，種類繁多，機(jī)械零部件的應(yīng)力、變形、位移等問題能夠用“彈性方程”說明和求解。其本身的設(shè)計復(fù)雜程度較高，使得精確求解變得十分困難，在設(shè)計過程中容易出現(xiàn)計算偏差。因此，為了得到設(shè)計數(shù)據(jù)的近似精確值，必須尋找一種可行的求解方案，才能保證農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計的質(zhì)量[1]。實踐證明，引入一些新的設(shè)計方法和技術(shù)，可以提升農(nóng)機(jī)的科技水平，縮短設(shè)計周期，降低生產(chǎn)成本[2]。目前，有限元法被廣泛應(yīng)用于工程分析中，該算法采用變分法得到最優(yōu)的結(jié)果。這種概念類似于把很多小范圍內(nèi)的一些簡單的方程式結(jié)合在一起，然后用它來估算更大范圍內(nèi)的一些復(fù)雜的方程式。該方法得出的結(jié)果不是準(zhǔn)確值，而是近似值。而有限元方法不但具有較高的精度，還具有較強(qiáng)的復(fù)雜適應(yīng)性，它可以將實際復(fù)雜問題轉(zhuǎn)變成多個簡單問題，很容易計算出近似值。因此，它可以對農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計中的復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行近似精確計算[3]。

2 有限元法的核心思想

有限元法的核心思想是將一個連續(xù)的單位分解成若干個獨(dú)立的單位，這些單位只由一個節(jié)點(diǎn)連接，并承擔(dān)相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)負(fù)荷。利用所選擇的函數(shù)關(guān)系，可以得到單位節(jié)點(diǎn)處的待求數(shù)量。因為若干個單位結(jié)構(gòu)形式比較簡潔，所以可以通過平衡或者能量形式來確定節(jié)點(diǎn)量之間的單元方程。再將各單元方程式按照變形協(xié)調(diào)的要求“組解”起來，形成整體的代數(shù)方程式，并將邊值范圍條件代入，再進(jìn)行求解。在工程領(lǐng)域，它的應(yīng)用范圍涵蓋了力、沖擊、噪聲、振動、摩擦、耐久性、剛性和重量等方面。它采用數(shù)學(xué)近似的方法來模擬實際的物理系統(tǒng)（幾何和負(fù)載狀態(tài)），同時可以用有限的未知量，來接近一個無限的未知量。在有限元計算中，由于所采用的軟件不同以及建模過程中會發(fā)生變化因素，會帶來不同的計算結(jié)果。在設(shè)計過程中，對于有限元分析的結(jié)果要進(jìn)行謹(jǐn)慎處理，有關(guān)特定性問題，要通過模型實驗的檢驗來判定結(jié)果，才能確認(rèn)有限元計算的準(zhǔn)確性[4]。所以，在農(nóng)機(jī)設(shè)計過程中，要更好地運(yùn)用有限元分析軟件在農(nóng)機(jī)產(chǎn)品設(shè)計中的功能，機(jī)械設(shè)計師們應(yīng)該把準(zhǔn)此方法的核心思想。

3 有限元法的基本步驟

1）物體離散化。把一個工程結(jié)構(gòu)離散成不同的單元，稱為單元劃分。在離散后的各單元間，采用各單元的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接。通常，單元的細(xì)分值越大，變形的描述就越準(zhǔn)確，也就是與實際的變形程度相吻合，但計算量也會增加。

2）對單元特性進(jìn)行分析。對于位移模式的選擇，通常采用有限元方法進(jìn)行位移計算，并對其進(jìn)行力學(xué)性能分析。通過分析各單元的材料性質(zhì)、節(jié)點(diǎn)數(shù)目、尺寸、形態(tài)等因素，得出單元與節(jié)點(diǎn)之間的位移關(guān)系式，導(dǎo)出單元的剛度矩陣，并計算等效節(jié)點(diǎn)力。將表面力、體積力等效地傳遞給各節(jié)點(diǎn)，并以等效節(jié)點(diǎn)力代替對單元施加的作用力。

3）單元組集及求解方程。通過對構(gòu)件的受力狀態(tài)和結(jié)構(gòu)條件分析，將其與原有的構(gòu)件進(jìn)行連接，從而構(gòu)成了剛度矩陣。當(dāng)單元組集結(jié)束后，要進(jìn)入方程求解階段：采用有限元方法求解節(jié)點(diǎn)的位移，然后求出未知數(shù)值。與其他的機(jī)械方法相比，有限元法在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計中應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)是可以對復(fù)雜、非均質(zhì)的農(nóng)機(jī)工程構(gòu)造進(jìn)行分析，能夠模擬不同的材料結(jié)構(gòu)的關(guān)系和荷載，能夠?qū)r(nóng)機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動態(tài)分析，通過對多種方法的對比和分析，其結(jié)果可以用圖形來表示，為農(nóng)機(jī)工程方案的優(yōu)化提供了依據(jù)[5]。

4 農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計中應(yīng)用有限元分析軟件的案例

以“花溪玉田9YFG-2.2/2.2A 型秸稈方草捆打捆機(jī)”的有限元設(shè)計案例為例，拖拉機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)過程是從傳動軸開始，經(jīng)過摩擦離合器、飛輪、齒輪箱等傳送設(shè)備將動力運(yùn)轉(zhuǎn)到機(jī)械的各個工作部分。在實際操作過程中，當(dāng)農(nóng)機(jī)運(yùn)行時，碾碎設(shè)備會將地上的稻草撿拾并扔進(jìn)喂入機(jī)構(gòu)，隨著機(jī)構(gòu)內(nèi)的螺旋輸送機(jī)將兩邊的物料送至壓捆室進(jìn)料口；進(jìn)料拔叉在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中將物料運(yùn)送到壓縮室，在活塞的推動下，物料在壓縮室中被逐步地壓實；在草捆長度到達(dá)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)后，鏈條和離合擋位跳出，打捆離合器快速嚙合，使打捆裝置開始工作；針頭固定架開始運(yùn)作，然后將捆繩送入打結(jié)機(jī)構(gòu)；在機(jī)械作業(yè)時，打結(jié)機(jī)構(gòu)把兩條捆繩打結(jié)；當(dāng)針頭離開時，捆繩就會被剪掉。隨著后進(jìn)入的物料的推進(jìn)，捆好的草料漸漸向壓縮室出口處移動，然后順著放捆板掉落至地面[6-7]。筆者從模擬仿真、結(jié)構(gòu)調(diào)整以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化三方面進(jìn)行了壓縮裝置的設(shè)計與分析，確保了該方案的有效性和實用性，最大程度減少了試驗成本，保證了方草捆打捆機(jī)使用的穩(wěn)定安全。且使用SolidWorks 有限分析軟件對壓縮裝置進(jìn)行繪圖以及三維建模，并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和確認(rèn)，能夠在較短時間內(nèi)找到并處理其結(jié)構(gòu)的問題，進(jìn)而改善其工作特性。

4.1 運(yùn)用SolidWorks有限元分析軟件

在分析壓縮裝置的結(jié)構(gòu)時，可以知道壓縮活塞在機(jī)械中起著關(guān)鍵性作用。由于壓縮活塞轉(zhuǎn)速高，其慣性力和轉(zhuǎn)速波動比較大，因此會導(dǎo)致壓縮裝置產(chǎn)生振動。設(shè)計師通過SolidWorks 有限元分析軟件可以繪制三維壓縮活塞模型，從而直觀地發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)問題的不合理性，對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。在壓縮活塞裝置中，把移動摩擦式活塞更換成滾輪式活塞，使原來的移動摩擦力快速轉(zhuǎn)換成滾動摩擦力，從而有效地改善了該活塞的工作性能，提高了農(nóng)機(jī)的工作效率。SolidWorks技術(shù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在計算機(jī)輔助繪圖（CAD）、計算機(jī)輔助建模、工程分析以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化三個方面[8]。

4.2 方草捆打捆機(jī)結(jié)構(gòu)分析

1）建立樣機(jī)虛擬模型。按照有關(guān)規(guī)范和技術(shù)指標(biāo)，建立三維壓縮活塞模型。

2）確定限制條件。要準(zhǔn)確科學(xué)地建立模型，必須保證定義正確，約束條件適當(dāng)，才能建立起合理的壓縮活塞約束。

3）定義載荷。利用MATLAB 軟件，將有關(guān)方程和力學(xué)公式引入機(jī)械結(jié)構(gòu)中，對其進(jìn)行動態(tài)的計算。利用機(jī)械滑塊的數(shù)據(jù)，清晰地展示了機(jī)械工作的過程，取得了較好的結(jié)果。通過對系統(tǒng)軟件的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理，可以使有關(guān)人員對其計算結(jié)果進(jìn)行合理的分析，從而確定方草捆打捆機(jī)的真實載荷量。

4）添加材料。依據(jù)農(nóng)機(jī)設(shè)計的有關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計師應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)牟牧?，并充分考慮其結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)建模，確定材料的密度、彈性模量以及泊松比。

5）構(gòu)建有限元模型。在進(jìn)行實際的數(shù)值模擬計算前，必須先將其轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的有限元模型，因為它能精確概括出有關(guān)的數(shù)學(xué)觀念。在這個基礎(chǔ)上，設(shè)計師要利用 SolidWorks 前處理功能，來建立壓縮活塞的有限元模型。

6）運(yùn)行求解。SolidWorks 軟件內(nèi)部含有模擬仿真程序，為使用者提供了多種不同的求解方法：一是Current LS 求解，以實際的載荷設(shè)定為基礎(chǔ)，進(jìn)行對應(yīng)的計算求解；二是From LS Files求解，通過讀取載荷的信息數(shù)據(jù)，將其存儲到特定的文件檔案中，并將其加入對應(yīng)的模式中，從而方便了后續(xù)的計算工作；三是Partial Solu 求解，這種方法以局部求解為主導(dǎo)，效率較高，針對性較強(qiáng)；四是Adaptive Mesh求解，這種方法的特點(diǎn)是對網(wǎng)格進(jìn)行精確分析和計算；五是Topologic opt 求解，利用這種方法，可以確保拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在優(yōu)化設(shè)計中達(dá)到最佳的設(shè)計結(jié)果。以上求解方法可以精確地對農(nóng)機(jī)設(shè)計數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，從而得到貼合實際的計算結(jié)果。

7）后處理。后處理機(jī)的功能是對最后的結(jié)果進(jìn)行查詢，在結(jié)構(gòu)文檔中常用的輸出方式有兩種：圖形和數(shù)據(jù)列表。SolidWorks 的模擬仿真程序中的后處理機(jī)模型包括兩類，一類是基于時間過程的后處理模型，另一類則是通用后處理模型。通過應(yīng)力等值線，不僅能夠更加正確地描述與概括壓縮活塞三維模型中的應(yīng)力與變形狀況，還能使工作人員迅速確定其內(nèi)部的危險范圍。此外，利用該圖形窗口，可以生成該模型的多條應(yīng)力等值線。最后，應(yīng)針對后處理要求，對壓縮活塞裝置的工作特性進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)。在此階段，應(yīng)將壓縮力作為動力，以達(dá)到對中間隔段應(yīng)力狀況的科學(xué)調(diào)控，防止由于壓力過大出現(xiàn)嚴(yán)重變形等問題。另外，應(yīng)強(qiáng)化中間隔斷的結(jié)構(gòu)設(shè)計，以保證壓縮活塞裝置的彈性程度符合我國農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計零件的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[9-10]。

5 結(jié)語

綜上所述，筆者從農(nóng)機(jī)設(shè)計的發(fā)展現(xiàn)狀以及有限元法的核心思想和基本步驟分析入手，結(jié)合SolidWorks 軟件的功能，對壓縮機(jī)械活塞裝置進(jìn)行了科學(xué)、合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析，從而保證了農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的高品質(zhì)和高效率。此外，在農(nóng)機(jī)設(shè)計中，將尖端的技術(shù)思想與科學(xué)農(nóng)機(jī)技術(shù)相結(jié)合，通過從模擬機(jī)的各方面參數(shù)入手，對農(nóng)機(jī)的性能進(jìn)行全面的檢測，從而有效地減少農(nóng)機(jī)的研發(fā)時間，降低農(nóng)機(jī)的研制成本。