农业机械设计中有限元分析软件的应用研究

言子涵

（南京工程学院，江苏 南京 211167）

1 农业机械设计发展现状

农业机械设计需要与自身应用环境相匹配，工作环境以及使用对象直接影响到农机设计的开发方向。目前，农业机械设计还停留在常规的农业机械设计模式，农机的设计方法和技术不能与当前的工作环境相适应，而且基于完整的理论体系的分析设计较少，大部分都是定性分析设计，必须借助其他相关领域的设计经验，采用类比的方法进行数据分析处理。农机零件的受力和变形是农业机械设计中的关键问题，它可以为农业机器的强度和刚性提供合理准确的设计计算数据。农机零件多为杆件和杂件，其构造形式复杂多样，种类繁多，机械零部件的应力、变形、位移等问题能够用“弹性方程”说明和求解。其本身的设计复杂程度较高，使得精确求解变得十分困难，在设计过程中容易出现计算偏差。因此，为了得到设计数据的近似精确值，必须寻找一种可行的求解方案，才能保证农业机械设计的质量[1]。实践证明，引入一些新的设计方法和技术，可以提升农机的科技水平，缩短设计周期，降低生产成本[2]。目前，有限元法被广泛应用于工程分析中，该算法采用变分法得到最优的结果。这种概念类似于把很多小范围内的一些简单的方程式结合在一起，然后用它来估算更大范围内的一些复杂的方程式。该方法得出的结果不是准确值，而是近似值。而有限元方法不但具有较高的精度，还具有较强的复杂适应性，它可以将实际复杂问题转变成多个简单问题，很容易计算出近似值。因此，它可以对农业机械设计中的复杂数据进行近似精确计算[3]。

2 有限元法的核心思想

有限元法的核心思想是将一个连续的单位分解成若干个独立的单位，这些单位只由一个节点连接，并承担相应的节点负荷。利用所选择的函数关系，可以得到单位节点处的待求数量。因为若干个单位结构形式比较简洁，所以可以通过平衡或者能量形式来确定节点量之间的单元方程。再将各单元方程式按照变形协调的要求“组解”起来，形成整体的代数方程式，并将边值范围条件代入，再进行求解。在工程领域，它的应用范围涵盖了力、冲击、噪声、振动、摩擦、耐久性、刚性和重量等方面。它采用数学近似的方法来模拟实际的物理系统（几何和负载状态），同时可以用有限的未知量，来接近一个无限的未知量。在有限元计算中，由于所采用的软件不同以及建模过程中会发生变化因素，会带来不同的计算结果。在设计过程中，对于有限元分析的结果要进行谨慎处理，有关特定性问题，要通过模型实验的检验来判定结果，才能确认有限元计算的准确性[4]。所以，在农机设计过程中，要更好地运用有限元分析软件在农机产品设计中的功能，机械设计师们应该把准此方法的核心思想。

3 有限元法的基本步骤

1）物体离散化。把一个工程结构离散成不同的单元，称为单元划分。在离散后的各单元间，采用各单元的节点进行连接。通常，单元的细分值越大，变形的描述就越准确，也就是与实际的变形程度相吻合，但计算量也会增加。

2）对单元特性进行分析。对于位移模式的选择，通常采用有限元方法进行位移计算，并对其进行力学性能分析。通过分析各单元的材料性质、节点数目、尺寸、形态等因素，得出单元与节点之间的位移关系式，导出单元的刚度矩阵，并计算等效节点力。将表面力、体积力等效地传递给各节点，并以等效节点力代替对单元施加的作用力。

3）单元组集及求解方程。通过对构件的受力状态和结构条件分析，将其与原有的构件进行连接，从而构成了刚度矩阵。当单元组集结束后，要进入方程求解阶段：采用有限元方法求解节点的位移，然后求出未知数值。与其他的机械方法相比，有限元法在农业机械设计中应用的优点是可以对复杂、非均质的农机工程构造进行分析，能够模拟不同的材料结构的关系和荷载，能够对农机结构进行动态分析，通过对多种方法的对比和分析，其结果可以用图形来表示，为农机工程方案的优化提供了依据[5]。

4 农业机械设计中应用有限元分析软件的案例

以“花溪玉田9YFG-2.2/2.2A 型秸秆方草捆打捆机”的有限元设计案例为例，拖拉机的运转过程是从传动轴开始，经过摩擦离合器、飞轮、齿轮箱等传送设备将动力运转到机械的各个工作部分。在实际操作过程中，当农机运行时，碾碎设备会将地上的稻草捡拾并扔进喂入机构，随着机构内的螺旋输送机将两边的物料送至压捆室进料口；进料拔叉在运转过程中将物料运送到压缩室，在活塞的推动下，物料在压缩室中被逐步地压实；在草捆长度到达规定标准后，链条和离合挡位跳出，打捆离合器快速啮合，使打捆装置开始工作；针头固定架开始运作，然后将捆绳送入打结机构；在机械作业时，打结机构把两条捆绳打结；当针头离开时，捆绳就会被剪掉。随着后进入的物料的推进，捆好的草料渐渐向压缩室出口处移动，然后顺着放捆板掉落至地面[6-7]。笔者从模拟仿真、结构调整以及结构优化三方面进行了压缩装置的设计与分析，确保了该方案的有效性和实用性，最大程度减少了试验成本，保证了方草捆打捆机使用的稳定安全。且使用SolidWorks 有限分析软件对压缩装置进行绘图以及三维建模，并对其结构进行分析和确认，能够在较短时间内找到并处理其结构的问题，进而改善其工作特性。

4.1 运用SolidWorks有限元分析软件

在分析压缩装置的结构时，可以知道压缩活塞在机械中起着关键性作用。由于压缩活塞转速高，其惯性力和转速波动比较大，因此会导致压缩装置产生振动。设计师通过SolidWorks 有限元分析软件可以绘制三维压缩活塞模型，从而直观地发现结构问题的不合理性，对其进行结构优化。在压缩活塞装置中，把移动摩擦式活塞更换成滚轮式活塞，使原来的移动摩擦力快速转换成滚动摩擦力，从而有效地改善了该活塞的工作性能，提高了农机的工作效率。SolidWorks技术的应用主要体现在计算机辅助绘图（CAD）、计算机辅助建模、工程分析以及结构优化三个方面[8]。

4.2 方草捆打捆机结构分析

1）建立样机虚拟模型。按照有关规范和技术指标，建立三维压缩活塞模型。

2）确定限制条件。要准确科学地建立模型，必须保证定义正确，约束条件适当，才能建立起合理的压缩活塞约束。

3）定义载荷。利用MATLAB 软件，将有关方程和力学公式引入机械结构中，对其进行动态的计算。利用机械滑块的数据，清晰地展示了机械工作的过程，取得了较好的结果。通过对系统软件的数据进行可视化处理，可以使有关人员对其计算结果进行合理的分析，从而确定方草捆打捆机的真实载荷量。

4）添加材料。依据农机设计的有关规范和标准，设计师应选择适当的材料，并充分考虑其结构的数学建模，确定材料的密度、弹性模量以及泊松比。

5）构建有限元模型。在进行实际的数值模拟计算前，必须先将其转换成对应的有限元模型，因为它能精确概括出有关的数学观念。在这个基础上，设计师要利用 SolidWorks 前处理功能，来建立压缩活塞的有限元模型。

6）运行求解。SolidWorks 软件内部含有模拟仿真程序，为使用者提供了多种不同的求解方法：一是Current LS 求解，以实际的载荷设定为基础，进行对应的计算求解；二是From LS Files求解，通过读取载荷的信息数据，将其存储到特定的文件档案中，并将其加入对应的模式中，从而方便了后续的计算工作；三是Partial Solu 求解，这种方法以局部求解为主导，效率较高，针对性较强；四是Adaptive Mesh求解，这种方法的特点是对网格进行精确分析和计算；五是Topologic opt 求解，利用这种方法，可以确保拓扑结构在优化设计中达到最佳的设计结果。以上求解方法可以精确地对农机设计数据进行分析处理，从而得到贴合实际的计算结果。

7）后处理。后处理机的功能是对最后的结果进行查询，在结构文档中常用的输出方式有两种：图形和数据列表。SolidWorks 的模拟仿真程序中的后处理机模型包括两类，一类是基于时间过程的后处理模型，另一类则是通用后处理模型。通过应力等值线，不仅能够更加正确地描述与概括压缩活塞三维模型中的应力与变形状况，还能使工作人员迅速确定其内部的危险范围。此外，利用该图形窗口，可以生成该模型的多条应力等值线。最后，应针对后处理要求，对压缩活塞装置的工作特性进行优化与改进。在此阶段，应将压缩力作为动力，以达到对中间隔段应力状况的科学调控，防止由于压力过大出现严重变形等问题。另外，应强化中间隔断的结构设计，以保证压缩活塞装置的弹性程度符合我国农业机械设计零件的有关标准[9-10]。

5 结语

综上所述，笔者从农机设计的发展现状以及有限元法的核心思想和基本步骤分析入手，结合SolidWorks 软件的功能，对压缩机械活塞装置进行了科学、合理的结构设计与分析，从而保证了农机产品的高品质和高效率。此外，在农机设计中，将尖端的技术思想与科学农机技术相结合，通过从模拟机的各方面参数入手，对农机的性能进行全面的检测，从而有效地减少农机的研发时间，降低农机的研制成本。