农业机械设计中有限元分析软件应用

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摘要：为了解决我国农业机械工作中的问题，笔者将以方草捆捡拾压捆机为例，在农业机械设计中应用有限元软件。基于有限元的基本思想，在对有限元分析软件中相应组成部件展开介绍时，要注意在与有限元法的基本步骤相结合的前提下进行。笔者分别从SolidWorks三维建模与分析压捆机结构进行说明，检验在农业机械设计中应用有限元软件的效果。结果表明：在农业机械设计中应用有限元软件，能够优化机械性能，缩短研发时间，降低开发成本。

关键词：农业机械设计；有限元分析软件；应用

有限元分析是用某种数学近似方法模拟真实的物理系统，用简单的模型、相关的单元和固定数量的未知数来恢复无限大的未知系统。有限元分析分为三个步骤：预处理、分析和后处理，对几何进行了相应的简化，简化了复杂的工程问题，从而对结果进行建模、分析和计算，为机械设计提供更准确的数据，提高机械设计效率[1-2]。在实际设备加工前检验相关性能的合理性，可以节约材料，减少时间成本，提高工作效率。例如，通过有限元分析软件，分析设备结构有限元模型单元的力学性能，并根据力平衡条件与边界条件的联系，形成整体刚度矩阵，对应变和应力进行求解，也就是静力学分析。通过分析求解出的应变和应力，可以优化零件的设计结构，通过相应的优化设计，可以很好地优化各部件的截面形状和尺寸，不仅可以提高零件的刚度和强度，还可以降低制造成本，尽可能满足更多的性能要求。针对结构优化来说，主要分为四个方面：截面优化、形状优化、外观优化和拓扑优化。通过结构优化，可以大大提高结构的性能或减轻结构的重量，实现轻量化设计的目的。在降低原有质量的同时，还可以进一步提高结构的刚度，缩短开发周期，获得可观的经济效益。

1我国农业机械设计现状

农业机械的工作环境与工作对象具有复杂性与随机性，这一定程度上对农业机械自身的开发工作造成影响。现阶段，我国基本上还在沿用传统的设计方式，因此在农业机械设计手段和方法上无法与现有工作环境相匹配，并且形成完整理论的体系较少，大多都是定性理论，需要在其他相关或类似专业的标准和经验的帮助下，利用类比法设计计算。加入世界贸易组织后，我国市场随之开放，大量国外农产品进入我国市场，对我国农产品市场产生了很大的影响，同时也造成我国农业机械市场受到来自国外主要农业机械制造商的威胁[3]。在国家农业生产机械化程度不断提高的情况下，在对新型农业机械产品进行研发时还是沿用较为传统的研究方式。因此，为了提高农业机械产品中的科技含量并缩短设计时长、减少生产成本，可以引进先进的设计方式。在进行农业机械设计时较为重要的一个环节就是农业机械中相关零部件的应力与变形问题，为对强度与刚度等进行设计计算时提供相关可靠数据。农业机械中的零件基本上可以看作是由杆、板、壳、块等组成的结构。不超过弹性限度，农机产品中零件的应力、变形和移位等问题可以用弹性方程来形容和解决。此外，用数学思想来看，相关偏微分方程能够描述一个工程分析问题，例如流体力学与弹性力学的基本方程等。但是由于相关方程式自身的复杂性，大大增加了偏微分方程得出精确解的难度。因此，非常有必要找寻能够有效解决以上问题的方法，以此获得能够满足工程精度要求的近似解。现阶段，一些有效的数值解法已经被成功找到，如有限元法和有限差分法等。其中，在相关工程中有限元法的应用较频繁，有限元法是利用高速电子计算机进行计算的一种有效的数值计算方法[4]。有限元法的最大优势就是模拟结构时能够使用多种单元类型和节点几何状态进行描述，以此来适应各种复杂的边界形状和边界条件，同时还可以对一些较为复杂零件的应力与变形问题进行精确计算。

2有限元法的基本思想

有限元法的基本思想是将一个连续的结构变为一系列单元，单元之间用节点进行连接，并接受同等的节点荷载。单元内部点的待求解数量是能够由单元节点数通过选定的函数关系获得的。因为单元形态较为简洁，很容易根据平衡或能量关系创建节点数量之间的单元方程。依据相关变形协调要求，将这些单元方程解组合成整体代数方程组，求解之前要将其计入边界条件[5]。之所以能够称为“有限元法”，主要是因为单元和节点的数量是有限的，想要得出较为精确的计算结果，就需要认真对单元进行合理划分。因此，为了将有限元分析软件的优点充分发挥出来，提升农业机械设计水平，设计者需要对其进行合理应用。在这种背景下，农业机械设计才会体现出较强的科技感，从而有效推进我国农业机械化稳定、可持续发展。

3有限元法的基本步骤

为了能够在农业机械设计中合理并充分应用有限元分析软件，相关研发设计人员应该根据有限元法的基本步骤，对农业机械设计环节逐步进行改善和优化。有限元法的基本步骤如下：结构离散化→单元特性分析→单元组解→方程求解。

3.1结构离散化

针对这一部分，相关研发设计人员可以将原本具有连续性的结构转变为多个离散化单元，单元的表现形式可以是各种形态的，如曲边四边形、三角形、矩形等[6-7]。在对物体所对应的多种形态、计算效率等方面进行充分考虑的前提下，对单元形态和数量进行科学合理的调控。

3.2分析单元特性

分析单元特性时，为了将单元面积小、形状简单的优点进行充分展现，相关研发设计人员需要依据单元类型选择合适的函数。例如，借助位移函数，详细说明每个单元的实际位移分布。在此前提下，利用单元的力等效作用，使节点荷载的移动自动化。与此同时，合理利用与之相关的几何方程，与虚功原理相联系下，构建多单元节点位移与节点力之间的函数表达式。

3.3单元组解和方程求解

单元组解过程中，相关研发设计人员需要依据与弹性结构相对应的边界条件，尽最大努力确保力的平衡性，从而有效将各个单元进行关联，使之形成一个线性方程组。完成单元组解环节后，就要进行方程求解环节，对实际位移和单元应力值的数据进行合理、精确的计算。

4有限元分析软件

20世纪40年代初就有人提出有限元法的基本思想，电子计算机出现后才真正将其应用在相关工程中。“有限元法”这个名称的首次出现是在美国的克拉夫的论文中，之后逐渐得到应用。一直到20世纪80年代初，国内外出现了超过百种的有限元软件，如ANSYS、ASKA、ADINA、SAP等。有限元软件功能愈加完善，既包括有限元分析程序，还具有强大的预处理程序和后处理程序。有限元分析软件主要由三部分构成：有限元前处理、有限元分析、有限元后处理。

4.1有限元前处理

这部分主要包括构建几何模型、划分有限元网格等，从计算模型形成、分析、验证、输入等方面入手，实现拓扑、材料、几何等相关数据的综合采集和整合。

4.2有限元分析

有限元分析主要包括两种类别：单元分析和整体分析，都是相关人员为了求出位移、应力值和其他参数的精确解。

4.3有限元后处理

实际应用有限元后处理过程中，在分析确定计算结果的前提下，对相关数据进行整合和储存。最终数据将以图形方式，形象直观地展现给相关研发设计人员，有利于相关研发设计人员随时查看和使用，保障相关研发设计人员对最终设计结果有清晰、整体的判断，方便之后对设计方案进行合理改进。

5农业机械设计中应用有限元软件的案例分析

农业机械设计中应用有效元分析软件的效果展示，可以以“YFC-1.7型方草捆捡拾压捆机”为例，借助有限元分析软件，从模拟仿真、结构调整和设计优化三个环节入手，设计并分析压缩机构，使设计方法的可行性和有效性得到有效保障，从而最大限度地降低试制成本，同时也要保障方草捆捡拾压捆机能够稳定、安全地使用[8]。因此，采用SolidWorks三维建模对压缩机构的结构进行了分析和验证，以便及时发现并解决压缩机构中的结构设计问题，从而提高压捆机的工作性能。SolidWorks是较为普遍的有限元分析软件，主要是运用有限元分析技术将分析软件与SolidWorks进行连接，在农业机械设计中发挥着重要作用[9-10]。

5.1SolidWorks三维建模

对压缩机构的内部结构进行分析，压缩活塞起着至关重要的作用。压缩活塞的旋转速度很高，具有较为明显的惯性力并且旋转速度变化幅度较大，导致压缩机构会产生极大的震动。对移动摩擦式活塞中存在的问题进行有效改善的重点就是相关人员重视使用滚轮式活塞。滚轮式活塞内配置多个专用滚轮，当活塞移动时，滚轮将自动沿着压捆室中设置的轨道有序滚动，将原有的移动摩擦迅速转化为滚动摩擦，有效提高活塞的工作性能。通过SolidWorks有限元分析软件构建活塞三维模型。

5.2饲草压捆机结构分析

1）建立样机模型。依据具体要求和标准，创建活塞三维几何模型。2）定义约束。要创建正确的有限元模型，就需要相应正确的定义与合理的约束，以此保证有限元模型的正确与合理性。3）定义荷载。应用MATLAB，并结合相关方程式与力学公式，对压缩机构内部进行动力学分析。通过机构中滑块的数据变化，清晰地将压缩机构的工作过程进行展现，且效果良好。由于该软件数据可视化，相关人员可以根据数据对计算结果进行合理分析，从而对压捆机的实际荷载量进行定义。4）添加材料。在挑选合适材料时，要依据农业机械设计的相关要求与标准，同时也要与相应几何模型进行充分结合，设置材料密度、泊松、弹性模量等。5）创建有限元模型。在进行相关计算前，研发设计人员需要将几何模型转变为相对应的有限元模型，要想实现对数学相关观点的准确性总结，就需要有限元模型。在此前提下，研发设计人员要合理应用SolidWorks的预处理功能，创建有效的活塞有限元模型。6）运行求解。由于SolidWorks内部具有Simulation功能，可以为研发设计人员提供多种求解方式。第一，Current…LS求解方式。依据目前荷载设置结果，进行求解。第二，From…LS…Files求解。读取相关荷载数据并保存在指定文件中，并且需要将这些数据应用在几何模型上，有利于日后进行求解工作。第三，Partial…Solu求解。对局部进行求解，针对性强，效率高。第四，Adaptive…Mesh求解。该方法适用于自适应网格精确化求解。第五，Topologic…opt求解。此方式能够确保拓扑结构的最后优化效果。7）后处理。后处理器主要用于查看最终结果，结果文件中经常使用两种输出模式，分别是图形显示与数据列表显示。针对SolidWorks来讲，其仿真程序相应的后处理部分主要包括两类，一类是通用后处理模块，另一类是时间历程后处理模块。运用应力等值线可以准确地描述和总结活塞几何模型的应力变化规律，同时，相关研发设计人员需要将活塞几何模型中的危险区域及时快速地进行定义。此外，还可以通过图形窗口形成多个应力等值线，这些应力等值线能够持续通过整个活塞几何模型。最后，应根据后处理要求对压缩活塞的工作性能进行优化与改进。在此过程中，需要借助压缩力，科学合理地控制与调整中间挡板的应力状态，使其不会因为压缩力过大而产生严重变形。另外，在符合零件的相关标准和要求的前提下，对中间挡板结构进行加强与优化改造，以此保证活塞的变形程度。

6结束语

综上，基于在农业机械设计中应用有限元分析软件的背景，借助SolidWorks软件功能，科学合理地设计压缩机构中的活塞部分，以优化和改进活塞结构设计过程，以此确保农业机械的设计质量和效率，为后续工作夯实基础。另外，在农业机械设计中，有效融合先进设计理念，可以从虚拟机分析、评估、检测、改造等环节入手，对农业机械产品的使用性能进行严格把关，有效缩短农业机械产品的研发时长，并降低开发成本。

作者:潘彦江 单位:定西中医药科技中等专业学校