现代设计方法在铺膜机设计中的应用

张 明 王磊元 秦翠兰 赵群喜*

(1.阿克苏地区农业技术推广中心，新疆 阿克苏 843000；2.新疆理工学院机电工程学院，新疆 阿克苏 843100)

1 现代设计方法概述

现代设计方法是传统经验设计方法的延伸和发展，是通过现代的设计理念、现代的理论基础和现代的手段工具开展设计的一种有效方法。农业机械设计是现代产品设计的一个重要领域，它既包括比较简单的日常工具和零件设计，也包括复杂的机器和装备设计。相对于传统设计，现代设计方法主要体现在设计的模型表征、程序规程及分析计算等方面，设计产品主要体现在高效的机械质量和使用效率两大优势基于现代理念、理论和工具的发展，现代设计方法将以往静态的、个体化的、单一性的和基于经验的设计方式，逐步转变为预测的、动态的、协同化的、多方位的和基于科学的设计方式。因此现代设计方法在力学等科学理论、应用数学等基础方法、计算机和软件技术等实用工具发展的基础上不断产生和走向工程应用，并且随着信息化、网络化、智能化和各种硬件技术的发展向更高水平迈进。

2 现代设计方法在铺膜机上的应用

2.1 计算机辅助设计的应用

计算机辅助设计是指用计算机辅助对产品进行各种性能的分析和模拟，包括产品强度、动力响应、温度场、流场等结构分析，以及计算机辅助机构动力学、运动学分析和虚拟样机模拟等。侯斌等人研究表明，通过计算机辅助设计可以及时分析机械设计过程中的数据，并对设计的关键环节、重要参数、系统功能等进行优化，使机械在工作工程中发挥更精准的作用。河北农业大学的李岩等人通过Auto CAD、DirectX、XML等计算机技术，设计了一种具有人机交互功能的农业机械软件，整个设计过程与人的思维高度契合，这一设计的出现可以大大缩短新产品的研发时间。通过大量实践证明，将有限元分析及仿真分析等计算机辅助设计的理论和方法应用到农业机械研究中，是一种切实可行的方法。

2.2 优化设计的应用

优化设计是通过计算机编程实现优化过程，根据设计意图建立优化设计的目标函数、设计变量和设计约束条件，利用该方法，借助计算机的运算能力，能够在复杂产品设计的众多方案乃至无数方案中寻找出最优方案。

2.3 有限元设计的应用

有限元设计方法是目前用于复杂结构分析最常用和最普适有效的方法。该方法将连续求解区域离散为有限个单元的组合体，用每个单元内设定的近似函数来表示该分区的未知场函数，并将各个单元的表达方程联立起来，使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。

2.4 其它方法的应用

可靠性设计作为现代设计方法之一，是保证产品及零部件满足给定可靠性指标的设计方法，其设计理念是在预测和预防产品所有可能发生的故障的基础上，使所设计的农业机械作业时达到规定的可靠目标值。赵蓉等通过可靠性设计分析了参数对机械零部件可靠性的影响，通过机械零部件可靠性设计不仅可以避免传统设计的保守性，还可以降低零部件的失效率。另外，很多科研人员为了节约农业机械的成本，通过故障模式找到制约机具可靠性的问题，并对其进行改进设计，以提高农业机械的可靠性水平。

综上所述，计算机辅助设计、优化设计、有限元设计等现代设计方法和手段已经被广泛应用到铺膜机设计应用中，并取得了一些成果。但从研究结果看，现代设计方法在铺膜机设计应用方面的水平和层次还不够高，不能与现代设计方法、设计理念及手段工具并行协同。另外，由于铺膜机与其它农业机械相同，其设计及制造过程有自身的特点，而且铺膜机的种类很多，不同作物铺膜机设计过程差别较大，因此如创新设计、机电一体化设计等一系列现代设计方法在铺膜机设计中还没有应用。而国外铺膜农机行业机电一体化程度已经具有一定的理论和实践水平，从产品设计到产品性能的测试、验证、通过全部流程化，规范化，国内却几乎没有人专门做这一方面的研究。

3 应用前景

(1)农业机械的运用是衡量农业机械化程度的重要指标，针对于铺膜机的应用，不仅要考虑农机的适应性、可靠性，还要兼顾农机的成本、工作效率以及覆膜保温保墒等问题。而目前有部分农机设计者在指导农业机械化生产，制定农机化发展目标时，盲目追求某项作业的高指标等问题，违背了现代设计方法中的绿色设计理念。针对这一问题许多学者尝试利用计算机软件进行二次开发，设计集数据采集和处理于机电一体的农机结构检测与数据处理系统。实践证明通过运用计算机辅助设计，使得农机作业的数据记录和处理稳定、操作方便、易于扩展，应用前景广泛。

(2)近年来，随着各种新型铺膜农机不断出现，对机架质量、效率、资源和环境要求的不断提高。许多专家学者通过运用优化设计的数学建模方法，准确地选择了机具的磨具参数，并建立了更加合理的数学模型，设计的机具获得了良好的农业种植效果和经济效益。

(3)随着计算机技术的迅速发展，有限元分析在农业机械分析和设计设计中得到了广泛的应用，已经成为解决复杂的工程分析计算问题的有效途径。有限元分析方法由于可以选用不同的单元组合方式和不同的单元形状，故能将复杂的产品模型分割为每个单元几何形状都很简单的网格模型。基于在单元内的规范化表达，以及考虑边界条件后进行方程组的规范化求解，整个过程易于采用计算机编程实现，能够达到对各种结构的通用。将有限元法设计用在铺膜农机设计中，使理论设计代替了经验类比设计。这种设计方法灵活性比较大，具有非常好的发展前景。

4 结语

在铺膜机的设计过程中充分利用现代设计方法，不仅可以对初始设计方案的机具强度和刚度进行校核，也可以根据计算结果分析构件的强度和刚度是否满足机具工作要求，对结构件的设计提出改进意见，从而指导设计工作。另外，优化设计、有限元设计和可靠性设计是目前铺膜机设计中常用的3种设计方法，这3种方法不仅能够提高机械的工作效率，同时从资源环境的角度出发，也兼顾了保护环境、节约资源的生态理念，为铺膜机的可持续发展提供了有利保障，也为农业机械的发展奠定了基础。同时，在传统的农业机械方法中采用现代设计方法理念，并用计算机技术和数学规划的方法进行优化和仿真，为提高农业竞争力和以后新技术的改造提供了重要手段。