机械设计软件在我国农业机械方面的应用

李海亮等

摘要随着科学技术手段的不断发展，依靠计算机系统通过机械设计软件进行设计与分析的现代设计方法被广泛应用到农业机械设计当中，目前普遍使用的软件多种多样，文章对常用的二维和三维CAD软件、CAE软件和虚拟样机技术在我国农业机械设计方面的应用进行了介绍，并就目前软件在农业设计应用过程中存在的问题和今后的发展方向提出了自己的观点。

关键词机械设计软件；农业机械；应用

中图分类号S23-0文献标识码A文章编号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

农业机械是发展现代农业的重要物质基础，是农业生产专业化、标准化、规模化和集约化的重要标志[1]。 农业机械的设计是农业机械化和现代化的重要内容和步骤，设计水平的高低直接关系到产品的质量性能、研制周期和经济效益[2]。随着传统农业向现代农业不断发展，传统的依靠理论和经验的机械设计方法已不能满足现代农业机械的发展需求，因此大量的现代设计方法和软件不断涌现，应用也日渐广泛。

1 CAD绘图软件

1.1Auto-CAD绘图软件的发展Auto-CAD软件是应用最早的计算机辅助设计绘图软件，于20世纪60年代诞生于美国的Auto desk公司。此软件的出现使机械设计方式从根本上发生了改变，提高了工程图纸的质量和绘制速度。由于昂贵的硬件设施，起初Auto-CAD仅应用在汽车、航空航天和电子产品制造等高新技术领域中。20世纪80年代，随着计算机的普及，其应用范围也逐渐变广。

以Auto-CAD为代表的计算机辅助设计绘图软件自20世纪80年代初[3]引入我国后，于90年代[4]在机械设计领域得到了广泛的应用，在农业机械产品的设计与制造上也逐渐应用。该软件的使用降低了设计成本，增加了企业对市场的反应速度，提高了市场竞争力。

1.2CAD绘图软件的二次开发 我国一直致力于国产CAD软件的研制，如CAXA、浩辰CAD等。同时，用户可以通过Autolisp、VBA、Visual Lisp等内嵌式语言对Auto-CAD进行二次开发，可以使软件在原有功能的基础上，增加软件自身本来不具备的新功能。在这方面我国的科研工作者也做出了不懈的努力，并取得了一定的成果。

山东德州学院[5]和河南科技学院[6]对软件的二次开发进行了研究，对软件的参数化绘图程序进行了升级；江苏理工大学[7]、大连理工大学[8]、上海电机学院[9]通过对软件进行二次开发，分别建立联合收割机割台CAD系统、液压CAD系统和搅拌器CAD系统的设计平台。

2三维CAD的应用

2.1 三维CAD的发展农业机械零部件中存在大量的鈑金件、复杂的曲面和注塑件等[10]，二维图无法直观表现，而且很难达到要求的精度水平。20世纪80年代随着计算机技术和现代科技的不断发展，基于特征设计的三维实体造型设计软件应运而生，如：法国达索公司的CATIA、美国Siemens PLM Software公司的UG、PTC公司的Pro/Engineer和生信国际有限公司的Solid Works等。

三维设计软件于21本世纪初[11]引入我国后，由于其可视化强，表达直观、设计更方便，在我国得到了广泛应用。内蒙古机电职业技术学院的吴政[12]运用Pro/E软件对9R—40型秸秆揉碎机的关键部件进行了建模设计；河北科技师范学院的陈芳[13]、现代农装北方农业机械有限公司的杨德秋[14]运用Solid Works软件分别对土豆去皮机和新型2CM一4悬挂式马铃薯种植机进行了三维建模设计。

三维设计软件的产生，对机械设计行业来说是另一次革命，它从根本上改变了机械设计的思路，使设计形式与人的思维方式相吻合，达到了快速、精确的设计目的。

2.2三维CAD的二次开发三维软件应用的不断深入促使企业对软件专业化程度的要求也越来越高，为了满足专业设计的需求，科研工作者对软件进行了大量的二次开发工作。

通过二次开发可以建立起专业领域内的模型库、特征库等，应用的时候可直接调用，简化了设计步骤，缩短了设计周期，如福建省农业机械鉴定推广总站[17]创建了Pro/E的通用农机产品模型库；黑龙江八一农垦大学[18]创建了针对农机覆盖件模具的UG三维系统；西北农林科技大学[19]、重庆市农业机械化工程技术研究中心[20]分别创建了蜗轮蜗杆和微耕机的参数化实体Solid Works模型库。

通过二次开发，可以使软件具备参数化建模的功能，即通过改变模型尺寸来更改结构以适应改变的环境或工作条件，从而大幅地减轻设计的工作量，提高设计效率。南京农业大学[15]实现了MDT对4ZL—3.0DE型联合收割机脱粒装置的参数化设计；西北农林科技大学[16]实现了CATIA对深松铲的参数化设计；通过参数化建模功能使软件与设计出的参数化模型实现了无缝集成，为 CAD/CAE/CAM系统的集成提供了先决条件。

3 CAD/CAE/CAM

3.1三维设计集成软件三维设计软件不但是性能优良的CAD实体造型工具，同时还集成了CAD/CAE/CAM功能。在建模之后，可以对模型进行模拟装配、运动仿真，并通过一种近似数值分析的方法对其进行力学性能、结构性能的分析和优化，提高机械设计的实用价值。新疆农业科学院[21]利用Solid Works，对秸秆粉碎还田机中的甩刀进行了运动仿真、平衡检验和有限元分析；东北农业大学[22]利用CATIA对机架进行应力、应变分析。

通过对模型进行运动仿真，可以对机构间的协调关系、干涉情况进行检验。新疆农业科学院[23]利用Solid Works对残膜回收捡拾滚筒行了运动仿真分析。黑龙江八一农垦大学[24]、吉林大学[25]和浙江工业大学[26]运用Pro /E软件分别对开沟器、精密播种单体和挖掘机工作装置进行运动仿真分析和动态干涉检查。甘肃农业大学[27]和兰州理工大学[28]通过UG分别对马铃薯分级装置和发动机曲柄连杆机构进行了三维动态仿真分析，证明了机构设计的合理性。

虽然三维软件中具有CAE功能，但是对农业机械中的大型、复杂的部件还需要专业的有限元分析软件。

3.2有限元分析软件ANSYS自1956年，有限元技术在喷气式飞机机翼结构中的成功应用后，有限元分析技术不断发展[29]，产生了大量的相关软件，如ANSYS、ADINA、ABAQUS等。美国ANSYS公司开发的ANSYS应用最为广泛，它可与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，同时具有较完整的分析模块，可以对模型进行应力分析、热力分析、模态分析、流体力学分析和可靠性分析等。

ANSYS利用边界约束条件来求解相应的物理对象，得到整个物理场在空间及时间上的分布，进而实现对结构的线性、非线性、静力或动力的分析。江苏盐城工学院[30]和河北农业大学[31]，通过ANSYS分别得到了R175A- 8柴油机曲轴和苹果起苗铲的应力、形变、安全系数等数据；西北农林科技大学[32]通过ANSYS得出BWl80型减速器的摆线轮的形变图和应力分布图。

在现实试验中检测部件的温度变化需要大量的试验设备和多次试验，不但麻烦而且误差较大。在 ANSYS软件中有专门用于计算一个系统或部件的温度分布及其他各种热物理参数的模块，通过该模块可以很方便地获得结构在热载荷下的热响应情况。吉林大学[33]利用ANSYS对轮胎稳态温度场进行分析，得出试验中不易测得的轮胎温度分布状态。

农业机械在田间行驶的过程中，路面环境恶劣经常发生震动，同时发动机工作过程中也产生相应的震动，农机部件在震动的过程中易发生共振，降低农机的使用寿命。模态分析可以确定结构和机器零部件的振动特性[34]，仿真分析的过程中可以以模态仿真的结果为参考，进而改进农机具的结构以达到避免共振的目的。四川大学[35]和中国农业大学[36]分别对机载电子控制设备减震系统和机架进行了模态分析，避免了共振现象的发生。

流体力学主要研究流体现象及有关的力学运动规律，在农业机械中也有应用。辽宁石油化工大学[37]、华南农业大学[38]和华中农业大学[39]分别对摇臂式喷头、抛秧机导苗管和油菜精密排种器的内流场进行了流体力学分析，得出难以通过试验测得的数据。

农业机械要求具有很高的工作可靠性，然而我国只是重视农机的保养，对通过分析软件进行寿命预测的研究还相对较少。辽宁工业大学[40]、山东理工大学[41]、江苏大学[42]通过ANSYS软件分别对齿轮、螺旋弹簧、往复泵曲轴进行了可靠性分析，并对使用寿命进行了预测。

4虚拟样机

由于農业机械结构复杂，工作环境恶劣，导致在设计的过程中存在许多问题，需要进行大量的田间试验来进行机械结构的调整，因此延长了研发周期。采用虚拟样机的方法可以通过软件对设计进行仿真试验，找到设计缺陷并加以改正，使一次性成功研发新产品成为了可能。

ADAMS是功能强大的虚拟仿真软件，诞生于20世纪80年代，于20世纪末引入我国。随着机械设计的不断发展，ADAMS在农业机械领域的应用逐渐广泛，如：南华大学[43]和沈阳农业大学[44]分别对压捆机压缩装置和玉米精密排种器进行了虚拟建模和虚拟仿真方面的研究；海南大学[45]和邢台职业技术学院[46]通过ADAMS找到设备产生问题的原因，提出优化方案；宁夏大学[47]通过ADAMS软件得出了实际试验中难以得到的参数变化曲线；江苏云马农机制造有限公司[48]和沈阳农业大学[49]，通过ADAMS对设备的工作性能和试验设计方案的可行性进行了评价；昆明理工大学[50]通对ADAMS软件计算出切割器割刀切割的最佳速度，为实际工作提供了参考。

5 存在的问题与建议

我国计算机辅助设计的发展相对较晚。自改革开放以来，随着我国现代化设计水平的提高， 计算机辅助工程技术的应用在许多行业和领域并取得了长足进展，但依然存在许多问题。

（1）我国对CAD/CAE/CAM系统软件的应用不充分，大多数中小型企业还处于应用初级阶段。所以，要大力培养计算机设计方面的专业人才。

（2）我国农业机械设计标准的修订不及时，严重影响企业间的交流和数据交换。因此，我国农机企业应该紧跟时代脉搏，真正做到与国际接轨。

（3）缺乏具有自主知识产权的专用CAD软件，限制了产品研发的速度和效率，间接削弱了市场竞争力。开发出具有我国自主知识产权的农业机械专业CAD/CAE/CAM软件已变的刻不容缓。

（4）校企联合较少，浪费了生产资源和师资资源。

6发展趋势

进入2l世纪，随着计算机技术的广泛应用、科学技术的交互性发展，机械系统设计的理论和方法也将随之发生一些重大变革，向着参数化、集成化和智能化等方向发展。

（1）参数化。三维参数化建模技术可以建立通用化和标准化程度高的模型库，将提高产品设计效率，优化设计性能，缩短设计周期。参数化建模的方法在我国已有所应用，但由于技术的不成熟，应用的范围有所局限。今后随着软件的成熟和专业人才的培养，参数化建模技术必然会有更广阔的应用空间。

（2）集成化。加工方法的集成化既将人、技术和管理有机结合，综合了计算机技术、系统集成技术、并行技术和管理技术。集成化能够最大限度的实现企业信息的共享，提高产品开发效率，更适合未来制造系统的需求。

（3）智能化。智能化主要是指知识工程的引入以及专家系统的开发。在设计生产的过程中，不仅依靠设计人员的经验，还可以参考专家系统的分析、逻辑推理及决策判断的结果，可实现产品生命周期、生产过程各环节的智能化与生产设备的智能化。智能化提高了解决问题的速度，显著增加了设计质量和效率，最大化解放工程技术人员。

（4） 网络化。进入21世纪，随着互联网技术的不断发展和和硬件技术的逐步进步，异地同步设计制造将会成为可能。可以充分发挥系统的总体优势、共享设计数据、交流设计思想，甚至对于全面的CAE分析过程都有可能得到专家的技术支持，极大地提高设计效率，真正实现集成化、资源共享以适应全球化制造的发展趋势。

（5）标准化。目前市场上CAD/CAM/CAE软件种类繁多，其软件间的兼容性和一致性是首要要解决的问题。通过标准化技术，建立起标准零件数据库、标准化设计方法、典型模具结构库等，可以使软件间内部的交流、信息转化等畅通方便。

7結语

随着科学的不断进步，技术的不断发展，机械设计软件将在农业机械设计中发挥着越来越重要的作用，将为缩小我国农机行业与发达国家之间的差距，最终成为机械设计强国发挥重要的作用。

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