農業機械設計中有限元分析軟件的應用研究

言子涵

（南京工程學院，江蘇 南京 211167）

1 農業機械設計發展現狀

農業機械設計需要與自身應用環境相匹配，工作環境以及使用對象直接影響到農機設計的開發方向。目前，農業機械設計還停留在常規的農業機械設計模式，農機的設計方法和技術不能與當前的工作環境相適應，而且基于完整的理論體系的分析設計較少，大部分都是定性分析設計，必須借助其他相關領域的設計經驗，采用類比的方法進行數據分析處理。農機零件的受力和變形是農業機械設計中的關鍵問題，它可以為農業機器的強度和剛性提供合理準確的設計計算數據。農機零件多為桿件和雜件，其構造形式復雜多樣，種類繁多，機械零部件的應力、變形、位移等問題能夠用“彈性方程”說明和求解。其本身的設計復雜程度較高，使得精確求解變得十分困難，在設計過程中容易出現計算偏差。因此，為了得到設計數據的近似精確值，必須尋找一種可行的求解方案，才能保證農業機械設計的質量[1]。實踐證明，引入一些新的設計方法和技術，可以提升農機的科技水平，縮短設計周期，降低生產成本[2]。目前，有限元法被廣泛應用于工程分析中，該算法采用變分法得到最優的結果。這種概念類似于把很多小范圍內的一些簡單的方程式結合在一起，然后用它來估算更大范圍內的一些復雜的方程式。該方法得出的結果不是準確值，而是近似值。而有限元方法不但具有較高的精度，還具有較強的復雜適應性，它可以將實際復雜問題轉變成多個簡單問題，很容易計算出近似值。因此，它可以對農業機械設計中的復雜數據進行近似精確計算[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的單位分解成若干個獨立的單位，這些單位只由一個節點連接，并承擔相應的節點負荷。利用所選擇的函數關系，可以得到單位節點處的待求數量。因為若干個單位結構形式比較簡潔，所以可以通過平衡或者能量形式來確定節點量之間的單元方程。再將各單元方程式按照變形協調的要求“組解”起來，形成整體的代數方程式，并將邊值范圍條件代入，再進行求解。在工程領域，它的應用范圍涵蓋了力、沖擊、噪聲、振動、摩擦、耐久性、剛性和重量等方面。它采用數學近似的方法來模擬實際的物理系統（幾何和負載狀態），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生變化因素，會帶來不同的計算結果。在設計過程中，對于有限元分析的結果要進行謹慎處理，有關特定性問題，要通過模型實驗的檢驗來判定結果，才能確認有限元計算的準確性[4]。所以，在農機設計過程中，要更好地運用有限元分析軟件在農機產品設計中的功能，機械設計師們應該把準此方法的核心思想。

3 有限元法的基本步驟

1）物體離散化。把一個工程結構離散成不同的單元，稱為單元劃分。在離散后的各單元間，采用各單元的節點進行連接。通常，單元的細分值越大，變形的描述就越準確，也就是與實際的變形程度相吻合，但計算量也會增加。

2）對單元特性進行分析。對于位移模式的選擇，通常采用有限元方法進行位移計算，并對其進行力學性能分析。通過分析各單元的材料性質、節點數目、尺寸、形態等因素，得出單元與節點之間的位移關系式，導出單元的剛度矩陣，并計算等效節點力。將表面力、體積力等效地傳遞給各節點，并以等效節點力代替對單元施加的作用力。

3）單元組集及求解方程。通過對構件的受力狀態和結構條件分析，將其與原有的構件進行連接，從而構成了剛度矩陣。當單元組集結束后，要進入方程求解階段：采用有限元方法求解節點的位移，然后求出未知數值。與其他的機械方法相比，有限元法在農業機械設計中應用的優點是可以對復雜、非均質的農機工程構造進行分析，能夠模擬不同的材料結構的關系和荷載，能夠對農機結構進行動態分析，通過對多種方法的對比和分析，其結果可以用圖形來表示，為農機工程方案的優化提供了依據[5]。

4 農業機械設計中應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”的有限元設計案例為例，拖拉機的運轉過程是從傳動軸開始，經過摩擦離合器、飛輪、齒輪箱等傳送設備將動力運轉到機械的各個工作部分。在實際操作過程中，當農機運行時，碾碎設備會將地上的稻草撿拾并扔進喂入機構，隨著機構內的螺旋輸送機將兩邊的物料送至壓捆室進料口；進料拔叉在運轉過程中將物料運送到壓縮室，在活塞的推動下，物料在壓縮室中被逐步地壓實；在草捆長度到達規定標準后，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；針頭固定架開始運作，然后將捆繩送入打結機構；在機械作業時，打結機構把兩條捆繩打結；當針頭離開時，捆繩就會被剪掉。隨著后進入的物料的推進，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、結構調整以及結構優化三方面進行了壓縮裝置的設計與分析，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使用的穩定安全。且使用SolidWorks 有限分析軟件對壓縮裝置進行繪圖以及三維建模，并對其結構進行分析和確認，能夠在較短時間內找到并處理其結構的問題，進而改善其工作特性。

4.1 運用SolidWorks有限元分析軟件

在分析壓縮裝置的結構時，可以知道壓縮活塞在機械中起著關鍵性作用。由于壓縮活塞轉速高，其慣性力和轉速波動比較大，因此會導致壓縮裝置產生振動。設計師通過SolidWorks 有限元分析軟件可以繪制三維壓縮活塞模型，從而直觀地發現結構問題的不合理性，對其進行結構優化。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，提高了農機的工作效率。SolidWorks技術的應用主要體現在計算機輔助繪圖（CAD）、計算機輔助建模、工程分析以及結構優化三個方面[8]。

4.2 方草捆打捆機結構分析

1）建立樣機虛擬模型。按照有關規范和技術指標，建立三維壓縮活塞模型。

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

3）定義載荷。利用MATLAB 軟件，將有關方程和力學公式引入機械結構中，對其進行動態的計算。利用機械滑塊的數據，清晰地展示了機械工作的過程，取得了較好的結果。通過對系統軟件的數據進行可視化處理，可以使有關人員對其計算結果進行合理的分析，從而確定方草捆打捆機的真實載荷量。

4）添加材料。依據農機設計的有關規范和標準，設計師應選擇適當的材料，并充分考慮其結構的數學建模，確定材料的密度、彈性模量以及泊松比。

5）構建有限元模型。在進行實際的數值模擬計算前，必須先將其轉換成對應的有限元模型，因為它能精確概括出有關的數學觀念。在這個基礎上，設計師要利用 SolidWorks 前處理功能，來建立壓縮活塞的有限元模型。

6）運行求解。SolidWorks 軟件內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，以實際的載荷設定為基礎，進行對應的計算求解；二是From LS Files求解，通過讀取載荷的信息數據，將其存儲到特定的文件檔案中，并將其加入對應的模式中，從而方便了后續的計算工作；三是Partial Solu 求解，這種方法以局部求解為主導，效率較高，針對性較強；四是Adaptive Mesh求解，這種方法的特點是對網格進行精確分析和計算；五是Topologic opt 求解，利用這種方法，可以確保拓撲結構在優化設計中達到最佳的設計結果。以上求解方法可以精確地對農機設計數據進行分析處理，從而得到貼合實際的計算結果。

7）后處理。后處理機的功能是對最后的結果進行查詢，在結構文檔中常用的輸出方式有兩種：圖形和數據列表。SolidWorks 的模擬仿真程序中的后處理機模型包括兩類，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力與變形狀況，還能使工作人員迅速確定其內部的危險范圍。此外，利用該圖形窗口，可以生成該模型的多條應力等值線。最后，應針對后處理要求，對壓縮活塞裝置的工作特性進行優化與改進。在此階段，應將壓縮力作為動力，以達到對中間隔段應力狀況的科學調控，防止由于壓力過大出現嚴重變形等問題。另外，應強化中間隔斷的結構設計，以保證壓縮活塞裝置的彈性程度符合我國農業機械設計零件的有關標準[9-10]。

5 結語

綜上所述，筆者從農機設計的發展現狀以及有限元法的核心思想和基本步驟分析入手，結合SolidWorks 軟件的功能，對壓縮機械活塞裝置進行了科學、合理的結構設計與分析，從而保證了農機產品的高品質和高效率。此外，在農機設計中，將尖端的技術思想與科學農機技術相結合，通過從模擬機的各方面參數入手，對農機的性能進行全面的檢測，從而有效地減少農機的研發時間，降低農機的研制成本。