機械設計軟件在我國農業機械方面的應用

李海亮等

摘要隨著科學技術手段的不斷發展，依靠計算機系統通過機械設計軟件進行設計與分析的現代設計方法被廣泛應用到農業機械設計當中，目前普遍使用的軟件多種多樣，文章對常用的二維和三維CAD軟件、CAE軟件和虛擬樣機技術在我國農業機械設計方面的應用進行了介紹，并就目前軟件在農業設計應用過程中存在的問題和今后的發展方向提出了自己的觀點。

關鍵詞機械設計軟件；農業機械；應用

中圖分類號S23-0文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）21-07234-03

Application of Mechanical Design Software in Agricultural Machinery in China

LI Hailiang， HU Jun et al （Heilongjiang Bayi Agricultural University， Daqing， Heilongjiang 163319）

AbstractWith the continuous development of science and technology， the modern design method depends on computer system and machine design software is widely used in agricultural machinery design， currently the widespread software are various， this paper introduced the application situation of some software， which include 2D and 3D CAD software， CAE software and Virtual Prototype Technology， put forward views about the problems existing in the application in agriculture and the development direction in the future.

Key words Mechanical design software； Agricultural machinery； Application

農業機械是發展現代農業的重要物質基礎，是農業生產專業化、標準化、規模化和集約化的重要標志[1]。 農業機械的設計是農業機械化和現代化的重要內容和步驟，設計水平的高低直接關系到產品的質量性能、研制周期和經濟效益[2]。隨著傳統農業向現代農業不斷發展，傳統的依靠理論和經驗的機械設計方法已不能滿足現代農業機械的發展需求，因此大量的現代設計方法和軟件不斷涌現，應用也日漸廣泛。

1 CAD繪圖軟件

1.1Auto-CAD繪圖軟件的發展Auto-CAD軟件是應用最早的計算機輔助設計繪圖軟件，于20世紀60年代誕生于美國的Auto desk公司。此軟件的出現使機械設計方式從根本上發生了改變，提高了工程圖紙的質量和繪制速度。由于昂貴的硬件設施，起初Auto-CAD僅應用在汽車、航空航天和電子產品制造等高新技術領域中。20世紀80年代，隨著計算機的普及，其應用范圍也逐漸變廣。

以Auto-CAD為代表的計算機輔助設計繪圖軟件自20世紀80年代初[3]引入我國后，于90年代[4]在機械設計領域得到了廣泛的應用，在農業機械產品的設計與制造上也逐漸應用。該軟件的使用降低了設計成本，增加了企業對市場的反應速度，提高了市場競爭力。

1.2CAD繪圖軟件的二次開發 我國一直致力于國產CAD軟件的研制，如CAXA、浩辰CAD等。同時，用戶可以通過Autolisp、VBA、Visual Lisp等內嵌式語言對Auto-CAD進行二次開發，可以使軟件在原有功能的基礎上，增加軟件自身本來不具備的新功能。在這方面我國的科研工作者也做出了不懈的努力，并取得了一定的成果。

山東德州學院[5]和河南科技學院[6]對軟件的二次開發進行了研究，對軟件的參數化繪圖程序進行了升級；江蘇理工大學[7]、大連理工大學[8]、上海電機學院[9]通過對軟件進行二次開發，分別建立聯合收割機割臺CAD系統、液壓CAD系統和攪拌器CAD系統的設計平臺。

2三維CAD的應用

2.1 三維CAD的發展農業機械零部件中存在大量的鈑金件、復雜的曲面和注塑件等[10]，二維圖無法直觀表現，而且很難達到要求的精度水平。20世紀80年代隨著計算機技術和現代科技的不斷發展，基于特征設計的三維實體造型設計軟件應運而生，如：法國達索公司的CATIA、美國Siemens PLM Software公司的UG、PTC公司的Pro/Engineer和生信國際有限公司的Solid Works等。

三維設計軟件于21本世紀初[11]引入我國后，由于其可視化強，表達直觀、設計更方便，在我國得到了廣泛應用。內蒙古機電職業技術學院的吳政[12]運用Pro/E軟件對9R—40型秸稈揉碎機的關鍵部件進行了建模設計；河北科技師范學院的陳芳[13]、現代農裝北方農業機械有限公司的楊德秋[14]運用Solid Works軟件分別對土豆去皮機和新型2CM一4懸掛式馬鈴薯種植機進行了三維建模設計。

三維設計軟件的產生，對機械設計行業來說是另一次革命，它從根本上改變了機械設計的思路，使設計形式與人的思維方式相吻合，達到了快速、精確的設計目的。

2.2三維CAD的二次開發三維軟件應用的不斷深入促使企業對軟件專業化程度的要求也越來越高，為了滿足專業設計的需求，科研工作者對軟件進行了大量的二次開發工作。

通過二次開發可以建立起專業領域內的模型庫、特征庫等，應用的時候可直接調用，簡化了設計步驟，縮短了設計周期，如福建省農業機械鑒定推廣總站[17]創建了Pro/E的通用農機產品模型庫；黑龍江八一農墾大學[18]創建了針對農機覆蓋件模具的UG三維系統；西北農林科技大學[19]、重慶市農業機械化工程技術研究中心[20]分別創建了蝸輪蝸桿和微耕機的參數化實體Solid Works模型庫。

通過二次開發，可以使軟件具備參數化建模的功能，即通過改變模型尺寸來更改結構以適應改變的環境或工作條件，從而大幅地減輕設計的工作量，提高設計效率。南京農業大學[15]實現了MDT對4ZL—3.0DE型聯合收割機脫粒裝置的參數化設計；西北農林科技大學[16]實現了CATIA對深松鏟的參數化設計；通過參數化建模功能使軟件與設計出的參數化模型實現了無縫集成，為 CAD/CAE/CAM系統的集成提供了先決條件。

3 CAD/CAE/CAM

3.1三維設計集成軟件三維設計軟件不但是性能優良的CAD實體造型工具，同時還集成了CAD/CAE/CAM功能。在建模之后，可以對模型進行模擬裝配、運動仿真，并通過一種近似數值分析的方法對其進行力學性能、結構性能的分析和優化，提高機械設計的實用價值。新疆農業科學院[21]利用Solid Works，對秸稈粉碎還田機中的甩刀進行了運動仿真、平衡檢驗和有限元分析；東北農業大學[22]利用CATIA對機架進行應力、應變分析。

通過對模型進行運動仿真，可以對機構間的協調關系、干涉情況進行檢驗。新疆農業科學院[23]利用Solid Works對殘膜回收撿拾滾筒行了運動仿真分析。黑龍江八一農墾大學[24]、吉林大學[25]和浙江工業大學[26]運用Pro /E軟件分別對開溝器、精密播種單體和挖掘機工作裝置進行運動仿真分析和動態干涉檢查。甘肅農業大學[27]和蘭州理工大學[28]通過UG分別對馬鈴薯分級裝置和發動機曲柄連桿機構進行了三維動態仿真分析，證明了機構設計的合理性。

雖然三維軟件中具有CAE功能，但是對農業機械中的大型、復雜的部件還需要專業的有限元分析軟件。

3.2有限元分析軟件ANSYS自1956年，有限元技術在噴氣式飛機機翼結構中的成功應用后，有限元分析技術不斷發展[29]，產生了大量的相關軟件，如ANSYS、ADINA、ABAQUS等。美國ANSYS公司開發的ANSYS應用最為廣泛，它可與多數CAD軟件接口，實現數據的共享和交換，同時具有較完整的分析模塊，可以對模型進行應力分析、熱力分析、模態分析、流體力學分析和可靠性分析等。

ANSYS利用邊界約束條件來求解相應的物理對象，得到整個物理場在空間及時間上的分布，進而實現對結構的線性、非線性、靜力或動力的分析。江蘇鹽城工學院[30]和河北農業大學[31]，通過ANSYS分別得到了R175A- 8柴油機曲軸和蘋果起苗鏟的應力、形變、安全系數等數據；西北農林科技大學[32]通過ANSYS得出BWl80型減速器的擺線輪的形變圖和應力分布圖。

在現實試驗中檢測部件的溫度變化需要大量的試驗設備和多次試驗，不但麻煩而且誤差較大。在 ANSYS軟件中有專門用于計算一個系統或部件的溫度分布及其他各種熱物理參數的模塊，通過該模塊可以很方便地獲得結構在熱載荷下的熱響應情況。吉林大學[33]利用ANSYS對輪胎穩態溫度場進行分析，得出試驗中不易測得的輪胎溫度分布狀態。

農業機械在田間行駛的過程中，路面環境惡劣經常發生震動，同時發動機工作過程中也產生相應的震動，農機部件在震動的過程中易發生共振，降低農機的使用壽命。模態分析可以確定結構和機器零部件的振動特性[34]，仿真分析的過程中可以以模態仿真的結果為參考，進而改進農機具的結構以達到避免共振的目的。四川大學[35]和中國農業大學[36]分別對機載電子控制設備減震系統和機架進行了模態分析，避免了共振現象的發生。

流體力學主要研究流體現象及有關的力學運動規律，在農業機械中也有應用。遼寧石油化工大學[37]、華南農業大學[38]和華中農業大學[39]分別對搖臂式噴頭、拋秧機導苗管和油菜精密排種器的內流場進行了流體力學分析，得出難以通過試驗測得的數據。

農業機械要求具有很高的工作可靠性，然而我國只是重視農機的保養，對通過分析軟件進行壽命預測的研究還相對較少。遼寧工業大學[40]、山東理工大學[41]、江蘇大學[42]通過ANSYS軟件分別對齒輪、螺旋彈簧、往復泵曲軸進行了可靠性分析，并對使用壽命進行了預測。

4虛擬樣機

由于農業機械結構復雜，工作環境惡劣，導致在設計的過程中存在許多問題，需要進行大量的田間試驗來進行機械結構的調整，因此延長了研發周期。采用虛擬樣機的方法可以通過軟件對設計進行仿真試驗，找到設計缺陷并加以改正，使一次性成功研發新產品成為了可能。

ADAMS是功能強大的虛擬仿真軟件，誕生于20世紀80年代，于20世紀末引入我國。隨著機械設計的不斷發展，ADAMS在農業機械領域的應用逐漸廣泛，如：南華大學[43]和沈陽農業大學[44]分別對壓捆機壓縮裝置和玉米精密排種器進行了虛擬建模和虛擬仿真方面的研究；海南大學[45]和邢臺職業技術學院[46]通過ADAMS找到設備產生問題的原因，提出優化方案；寧夏大學[47]通過ADAMS軟件得出了實際試驗中難以得到的參數變化曲線；江蘇云馬農機制造有限公司[48]和沈陽農業大學[49]，通過ADAMS對設備的工作性能和試驗設計方案的可行性進行了評價；昆明理工大學[50]通對ADAMS軟件計算出切割器割刀切割的最佳速度，為實際工作提供了參考。

5 存在的問題與建議

我國計算機輔助設計的發展相對較晚。自改革開放以來，隨著我國現代化設計水平的提高， 計算機輔助工程技術的應用在許多行業和領域并取得了長足進展，但依然存在許多問題。

（1）我國對CAD/CAE/CAM系統軟件的應用不充分，大多數中小型企業還處于應用初級階段。所以，要大力培養計算機設計方面的專業人才。

（2）我國農業機械設計標準的修訂不及時，嚴重影響企業間的交流和數據交換。因此，我國農機企業應該緊跟時代脈搏，真正做到與國際接軌。

（3）缺乏具有自主知識產權的專用CAD軟件，限制了產品研發的速度和效率，間接削弱了市場競爭力。開發出具有我國自主知識產權的農業機械專業CAD/CAE/CAM軟件已變的刻不容緩。

（4）校企聯合較少，浪費了生產資源和師資資源。

6發展趨勢

進入2l世紀，隨著計算機技術的廣泛應用、科學技術的交互性發展，機械系統設計的理論和方法也將隨之發生一些重大變革，向著參數化、集成化和智能化等方向發展。

（1）參數化。三維參數化建模技術可以建立通用化和標準化程度高的模型庫，將提高產品設計效率，優化設計性能，縮短設計周期。參數化建模的方法在我國已有所應用，但由于技術的不成熟，應用的范圍有所局限。今后隨著軟件的成熟和專業人才的培養，參數化建模技術必然會有更廣闊的應用空間。

（2）集成化。加工方法的集成化既將人、技術和管理有機結合，綜合了計算機技術、系統集成技術、并行技術和管理技術。集成化能夠最大限度的實現企業信息的共享，提高產品開發效率，更適合未來制造系統的需求。

（3）智能化。智能化主要是指知識工程的引入以及專家系統的開發。在設計生產的過程中，不僅依靠設計人員的經驗，還可以參考專家系統的分析、邏輯推理及決策判斷的結果，可實現產品生命周期、生產過程各環節的智能化與生產設備的智能化。智能化提高了解決問題的速度，顯著增加了設計質量和效率，最大化解放工程技術人員。

（4） 網絡化。進入21世紀，隨著互聯網技術的不斷發展和和硬件技術的逐步進步，異地同步設計制造將會成為可能。可以充分發揮系統的總體優勢、共享設計數據、交流設計思想，甚至對于全面的CAE分析過程都有可能得到專家的技術支持，極大地提高設計效率，真正實現集成化、資源共享以適應全球化制造的發展趨勢。

（5）標準化。目前市場上CAD/CAM/CAE軟件種類繁多，其軟件間的兼容性和一致性是首要要解決的問題。通過標準化技術，建立起標準零件數據庫、標準化設計方法、典型模具結構庫等，可以使軟件間內部的交流、信息轉化等暢通方便。

7結語

隨著科學的不斷進步，技術的不斷發展，機械設計軟件將在農業機械設計中發揮著越來越重要的作用，將為縮小我國農機行業與發達國家之間的差距，最終成為機械設計強國發揮重要的作用。

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