农业机械现代设计方法综述

赵 匀

（东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）

随着科技的发展，许多新的成果被引入优化设计，特别是信息化技术的发展推动了设计方法的革命，开发了系列软件，其中包括：CAD、ANSYS、ADAMS、VB、VC等，这些软件各有特色，在应用上相互交叉。其中CAD软件是应用最广，对产业发展影响最大的软件，完全代替了传统的设计方法，使设计更加快捷方便，且具有记忆功能，使传输、保存、调用更加方便。ADAMS软件不但具备虚拟制造、试验和测试功能，而且通过二次开发还可以优化参数，VB和VC软件具有较强的可视性，适合机构的运动学和动力学目标的优化。优化是现代设计的核心技术。现代设计思想和方法大大推动了制造业的发展；反过来，每个设计者必须掌握现代设计方法，并熟练使用各种软件工具。

在国际上，航空、航天、汽车、军工制造业等率先使用现代设计的新技术，农机制造业相对滞后，一般来说在上个世纪相差3～5年，到本世纪时差缩短到1～3年。在上世纪80年代后期，中国开始引入CAD技术。到本世纪已经推广到高校、研究院所和企业，随着应用和推广，CAD技术不断完善和拓宽，功能更加强大，现在任何机械设计单位如果在设计中不使用CAD软件几乎不可思议。其他软件也有了不同程度的应用，中国技术力量的构架决定现代设计方法和软件工具首先被研究型高等院校应用，之后是普通院校和大型研究所，最后逐渐转入生产企业。但是现代设计的核心——系统的优化设计技术在国内应用较少，仅仅局限在个别的学科领域，这是因为系统优化首先要建立理论模型、采用适宜的优化方法、设计相关的优化软件的基础上，是一个难度很大的系统工程。例如，应用较为普遍的航空、导弹理论研究面对的介质是空气，其物理性质相对变化较小；而农业机械所处理各种物料，其物理性质差异很大，理论研究和优化方法有其特殊性，不能照搬其他理论和方法。现代设计方法的应用如果包括了系统优化则必须建立设计平台。本文在介绍现代设计方法的同时也将介绍课题组在建设平台方面所做的探索性工作。

1 平台的内容

1.1 创新方法的建立

农业机械的创新有特殊性也有其普遍性。农业机械的创新首先是机构的创新，新的机构能够完成传统机构所不能完成的技术要求。机构创新由两部分组成：发现机构创新元素和找到实现创新元素的实施方案。两者都非常重要，但是对不同的项目，相对难度有所不同：有的发现创新元素难度大[1]，有的寻求实施方案难度更大。

1.2 理论研究成果

理论研究是设计优化、虚拟试验和测试软件的基础。理论创新的主要目的是参数优化，优化是设计的核心。理论研究从理论分析开始，通过理论演绎或实验回归建立数学模型和目标函数，设计软件。理论研究的成果包括专著、文章以及历届研究生论文，是现代设计平台的重要内容。

1.3 优化设计软件

市场上出售的各种软件是设计者的工具，其功能越来越强，应用面越来越广，农机研究者必须掌握。掌握软件的使用方法主要不是依靠课堂教学，而是依靠工程实践和实践过程中的指导。一般来说，老师应该有研究课题，学生（本科和研究生）在完成研究的工作中，通过高年级学生指导低年级学生，将软件的使用方法传承下来。尽管市场软件具有强大的功能，可以完成虚拟制造、试验和测试工作，但是没有二次开发就不能进行设计的核心工作——参数优化。没有精准的参数优化，后面的虚拟制造、试验和测试工作就没有意义，这些工作的目的是验证参数优化的精准程度。农业机械的多参数、强耦合性、模糊性、非线性复杂多目标优化是一项难度很大的工作，传统的优化方法难以完成。笔者提出了“复优化”和“参数导引”优化方法，在以上方法指导下，设计了“傻瓜”化和全自动软件，成功的解决了以上复杂的优化问题，转让总金额达70万元。要求研究生对自己所研究的核心工作部件用以上优化方法建立系统的优化软件，软件同时具有虚拟制造、试验和测试的功能，也希望通过办培训班使师生掌握设计软件的方法。

1.4 试验台架

完成了以上优化和虚拟试验工作，下一步是试验台架和核心工作部件的研制，在台架上做核心工作部件的性能和可靠性试验，在完成以上工作程序后，进行整机设计和田间试验。目前，课题组在已完成省级重点项目“农业机械产品数字化设计与制造平台的开发与应用”的基础上，将探索各种核心部件优化后的计算机自动生成设计图纸的工作。

1.5 队伍建设

平台建设的关键是培养一支熟练掌握现代设计方法和工具的队伍。首先，队伍的核心成员具有深厚的理论基础，包括数学、工程力学、机械原理等基础及专业基础知识，特别是具备利用所学的基础知识解决实际问题的能力，例如利用数学知识解决工程力学问题，利用数学、工程力学知识解决机械原理问题，以及利用以上基础知识解决农业机械理论问题。这方面能力依靠在科研过程中逐渐培养，国家自然科学基金完成过程是培养这方面能力的最好平台。

2 建立平台的意义

2.1 农业机械的研究难度

季节性强：农业机械成功需要田间试验验证，但是每年田间试验的时间短，一旦机器出现问题，就可能错过了试验季节，只好等待下一年的试验，所以一般农业机械的研究周期较长。

环境恶劣：表现在两个方面：农机作业环境变化大，作业条件差；农业机械处理的物料包括土壤、茎秆、果实、幼苗、种子等，物理性能差异很大。

造价低廉：农业产品价格低决定了机器造价必须同样价格低廉。

适应宽泛：中国农业生产区域气候环境差异大，同样作物生产方式各不相同，好的农业机械应该具有宽泛的适应性。

竞争激烈：近年来外资企业纷纷在中国建厂，它们具有雄厚的技术和资金实力，国内产品的竞争力主要在于适应中国的农艺要求和高性价比，与国外产品竞争的关键是研发周期的长短，缩短研发周期的主要手段是掌握现代设计方法和建立研发平台。

2.2 现代设计方法的优点

现代设计方法的核心是参数优化、虚拟制造、试验和测试，它的优点表现在以下三方面：

缩短周期：农业机械的研究和设计工作主要在室内通过计算机和台架试验完成，解决了农机研究的季节性问题。从课题组的研究成果看，所转让的14台样机田间性能试验均一次性成功，这样就大大缩短了研发周期。

降低成本：研制样机资金投入最大，由于样机成功率高，大大降低了研究成本。

精准度高：采用了先进的优化方法，优化精度高，所设计研制的机器性能更接近目标的理想值。

3 现代设计方法介绍

现代设计方法的核心是优化参数，本文作者提出了一种新的优化方法，命名为“参数导引”优化方法。该方法通过目标函数的计算，告之每次需要改变的参数，通过逐次逼近目标理想值，最后使所有目标函数计算值与目标函数理想值的差值小于预定的系列微小值。系列理想目标中每个理想目标是一个范围而不是唯一值。严格意义上，所获得的参数解非最优解，称之为“非劣解”，有无限多组参数满足目标要求，每次优化所获得的参数值相近但不相同，形成“非劣解”群。针对需要解决动力学目标优化的问题，作者提出了“复优化”方法：作者应用“参数导引”优化方法，针对运动学目标优化参数，将“非劣解”群的边界作为约束条件，以动力学工况作为优化目标，进行动力学优化，得到既满足运动学目标又达到动力学目标要求的参数值。

现代设计方法的程序见图1。

图1 理论设计工作流程Fig.1 Flow of theory design

程序第一步是方案确定，包括调研、分析，最后确定方案。方案确定一定要慎之又慎。一般新涉足研究领域者，往往不重视方案的研究，想到一个方案，没有群策群力，拿起来就做，结果南辕北辙，花费了大量时间和资金，最后还要从头做起。紧接着下一个步骤是理论分析，通过理论演绎建立模型，或者通过试验研究，回归分析，建立模型。在以上工作的基础上建立目标函数，这是能精准优化参数的关键一步，也是应用“参数导引”优化方法的前提。在VB平台上设计软件，软件要具备优化参数、虚拟制造、试验和测试的功能。优化参数是整个程序中最为重要的一步，优化参数的效率和精准度是整个设计过程水平的体现。

从图1看出，现代设计方法与传统方法比较，在整个过程中增加了大量的新的内容，传统设计程序所占的比例很小，保留了研制样机和田间试验两个传统的步骤，其中机械设计由CAD软件绘图改为自动生成图纸。虽然增加了许多新的工作程序，但是大大提高了设计的成功率和缩短了设计周期。

4 现代设计软件界面

“参数导引”优化方法在VB平台上建立的软件界面见图2。软件利用了VB平台的可视性功能，通过点击界面顶端进入不同的虚拟功能页面，界面最右端是优化过程中与目标相关的重要数据。显示重要数据的界面左边，是系列目标函数，以权重大小，从上到下排列。每项目标下面是由长方形块连接成的横线，红色长方形块形成的红线越长越接近理想目标值，黑色长方形块组成的黑线，表明未达到基本的目标要求，黑线越长离目标值越远。界面的左下端是主要优化参数，每个参数方框中显示优化过程中的参数值，参数的右方是正步进和负步进按钮。软件使用非常方便，事先输入优化目标理想值，优化开始后，通过目标函数计算将计算值与各目标理想值比较，找出应该改变的参数。如果需要正步进则该参数的正步进按钮闪烁，如果需要负步进则负步进按钮闪烁。操作者只需点击闪烁按钮，则相当于完成了一次正或负步进的参数改变。重复以上过程，直至所有按钮不再闪烁，此时所有目标下呈红色长条，优化过程结束，各参数值为优化后参数。全自动优化软件操作更加简单，只要启动优化程序，操作者不用再做任何人机对话，直至优化结束，界面显示优化结果。

图2 “参数导引”优化软件界面Fig.2 "Parameter guided"optimization software

5 小 结

现代设计软件包括两种：市场出售的各种软件和自编的优化、虚拟试验和测试软件。自编软件需要做大量的理论和试验研究工作，市场出售的各种软件功能越来越强大，可以做虚拟制造、试验和测试工作。如果优化参数，则必须做二次开发。笔者认为，在VB平台上作机械优化工作量相对小些。目前课题组在VB平台上设计的软件具有二维模拟功能，下一步工作是将二维模拟发展为三维模拟，同时具有原来的优化参数的功能。

[1]赵匀.农机机械分析与综合[M].北京:机械工业出版社,2008.

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[3]Zhao Yun,Yu Gaohong,Chen Jianneng,et al.Mechanism dynamics sequence-solution method and its application[J].ASME,Journal of Computational and Nonlinear Dynamics，2007,25(3):105-113.

[4]赵匀,赵雄,张玮炜,等.水稻插秧机现代设计理论和方法[J].农业机械学报,2011,42(3):65-68.

[5]赵匀.机构数值分析与综合[M].北京:机械工业出版社,2005.

[6]Zhao Yun,Ying Yibin,Li Jianping.Study on computer aid design and analysis of agricultural machinery[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,1996,1(4):177-180.

[7]Zhao Yun.Computer-aided analysis and design of agriculture machinery[M].Beijing:Tsinghua University Press,1998.