农机工程技术人才CAE思维及应用能力培养路径研究

［摘 要］CAE技术在工业领域日益成熟的应用为农机装备设计与研发提供了更加科学、高效的解决方案，极大地缩减了产品研发周期和成本，以极高的效率实现了产品技术创新。文章在对当前国际、国内农机行业引入CAE技术现状进行分析的基础上，针对我国农机行业领域相关应用的短板以及人才培养过程中遇到的问题，从有限元方法课程理论教学改革、学生CAE思维能力培养、通用有限元分析软件的农机领域应用、试验平台搭建、非农机行业应用借鉴、教师能力提升、课程思政融合七个方面提出农机工程专业研究生CAE思维及应用能力培养的方法和路径，以期有效应对我国农机行业产品研发和设计中面临的现实问题，补齐我国农机装备研制过程中的短板，培养合格人才并满足行业未来长远发展的需求。

［关键词］有限元方法；CAE思维；教学改革；农业机械

［中图分类号］G643.0 ［文献标识码］A ［文章编号］2095-3437（2024）16-0108-05

以有限元数值分析为主体的CAE（Computer Aided Engineering）技术日益成熟，该技术已深度应用于航空、航天、船舶、机械、车辆、土木等工业领域。狭义上的CAE主要指利用计算机软件对工程和产品进行物理、力学性能和安全、可靠性分析，以对其未来的工作状态和运行行为进行模拟和预测、评价和优化，从而及早发现设计缺陷，并判断工程、产品功能的可用性和可靠性。这意味着在产品CAD（Computer Aided Design）模型设计出来以后、在样机制作之前，就已经通过仿真分析、数值计算和模型优化获得了系统最优设计方案，从而极大地缩减了产品研发周期和成本，以极高的效率实现了产品技术创新。将CAE技术引入农机行业领域是农业机械装备设计和研发的必然趋势和必要的技术手段，将大大提高产品设计水平和行业竞争力。因此，在面向农机方向的农业工程研究生培养过程中，借鉴CAE技术在其他行业的成熟应用，开展以有限元方法课程为核心载体的CAE技术能力培养，将为农机行业领域培育更多急需的CAE技术人才，补齐我国农机企业设备研制过程中的短板，提升技术研发水平。

一、农机行业引入CAE技术现状

农业机械装备的使用具有季节性强、时间紧、任务重、作业环境恶劣等特点，在保障基本功能的同时，降低设备故障率、提高农机装备的使用寿命是提高农机产品质量、提高农机装备行业竞争力的关键因素。在发达国家的农机巨头企业中，如美国的约翰迪尔、爱科、凯斯纽荷兰，德国的克拉斯，日本的洋马、久保田等，CAE技术已成为农机产品设计与制造流程中一种强制性的工艺规范和必备工具[1]，通用CAE软件中加入了农机专用功能改进软件系统，实现了传统设计无法开展的力学分析和数值计算，大大缩短了产品的开发周期，提高了产品质量和市场竞争力。

我国部分中小型农机企业的产品设计依然停留在传统设计阶段，即通过产品CAD设计形成设计图纸，再进行样机试制、调试、试验、改进和生产。产品结构和功能的合理性和可行性主要由产品设计和样机试验来确定，潜在的缺陷和故障则大多反映在用户的使用过程中，产品设计和功能的改进和完善大多是基于不断的用户反馈来完成的。这种传统设计方法不仅使用户的使用体验大打折扣，降低了产品的竞争力，更会造成产品更新换代慢的后果，对于体积较庞大的大型农机装备来说尤其如此。样机的反复试制也会造成大量的人力和物力的浪费，延长了装备的开发周期。

目前，除部分涉农机高校或科研院所的科研需求以外，国内仅有少数头部大型农机企业将CAE技术引入日常的设计和生产过程中，如雷沃智慧农业、中联农机等。这些大型农机企业分别属于大型产业集团，不仅生产农业机械，产品还涵盖工程机械、消防机械、商用车等多种产品类别。显然，CAE在其他行业中较为成熟的应用可以很自然地引入农机领域。如中联重科构建了产品的虚拟化样机，完全实现了样机的三维建模、运动学和动力学仿真分析、作业情况模拟等虚拟化设计工作，让研发过程变得更加高效、可靠。而在雷沃智慧农业，CAE技术在产品设计中的优异表现得到了充分重视，技术逐年累积，逐渐成为农机产品设计与制造流程中一种强制性的工艺规范和必备工具，直接对标国际农机巨头企业。

二、我国农机行业CAE技术使用的不足

我国农机行业引入CAE技术方法尚未普及，整体处于起步阶段。

（一）未能成为一种必要的设计手段

CAE技术在很多中小型农机企业的应用几乎是空白，而不少大型农机企业也仍处在经验、技术的不断积累和发展过程中。总体来看，CAE技术在农机行业仿真项目少、技术单一，同时未形成针对农机的特殊运行环境和复杂工况的相关国家标准，相对于其他行业领域应用较少。

（二）CAE专业技术人才缺乏

高校CAE技术相关专业相对较少，同时其多数毕业生毕业后进入专业的CAE技术公司，或者从事航空、航天、航海、车辆、电子等高科技行业领域工作，加上农机行业本身应用不足，毕业后从事农机行业工作的人才较少。

（三）一些高校农机专业CAE教学基础薄弱

CAE技术的核心主体是有限元分析，需要有扎实的结构力学、材料力学、弹性力学等知识，还需要掌握求解偏微分方程等高等数学知识，准确理解设计过程中的各个参数的含义。只有这样，在面对新材料、新技术的出现时，才能充分运用科学分析能力和知识迁移能力。国内一些开设农机专业的高校主要精力用于农机装备功能的实现及相关基础理论、机理的研究，相对缺乏大型CAE仿真经验，多数应用是在学生的毕业设计过程中，且多为小型结构或关键部件的应用，其应用深度有限。

（四）缺乏必要的试验条件

在CAE设计过程中，通过有限元仿真得到的结果往往需要与实物试验进行相互验证和支撑，通过不同工况、不同载荷的施加实现仿真与实物的来回对标，是一个不断改进迭代的过程。这需要构建试验场，通过专业仪器、设备（如振动、疲劳分析试验台等）进行测量和反馈。试验条件的匮乏也是限制CAE技术应用的一个重要因素。

除此以外，CAE技术在农机行业里交流少、沟通少，缺乏相关的学术会议和技术交流平台，而传统的农机设计方式也可以维持产品的研制和开发过程，因此在整个行业中相关技术发展缓慢。

三、农机工程技术人才CAE教学培养改革

针对我国农机行业领域的CAE技术应用现状，为弥补现阶段的不足，满足未来长远的发展需求，课题组在深度剖析原因的基础上积极调整农机专业的课程内容和培养方案，以有限元方法课程为载体，完善课程培养体系，充分发挥专业优势在人才培养中的作用。通过培养学生的CAE思维，促进行业CAE技术的普及和更高层次应用。

（一）有限元方法课程理论教学改革

有限元方法课程理论知识的学习是首要任务。学生若没有扎实的理论基础而仅仅会使用通用的有限元分析软件，会使得其分析仅仅停留在表面固定模式，缺乏灵活应对各种新结构、新材料以及新工况的能力。当前课程存在“内容繁杂、不连贯，重点内容不突出”“有限元方法与有限元软件脱节”“试验环节匮乏”“未突出农机专业特色”等问题，学生普遍反映理论知识晦涩难懂、“学”难以“致用”等问题，造成课程耗时长但实际收效低的局面。因此，课题组在系统梳理有限元方法理论知识体系的基础上，找准关键节点，化繁为简，采用符合知识学习规律的方式循序渐进地调整课程内容。

在理论课程中同时引入双语教学。主流CAE软件市场被欧美垄断，学生在进行复杂几何模型计算机数值分析时，要想熟练使用这些全英文的国外软件，需要掌握英文专业术语，才能查看英文材料获得第一手信息。如软件附带的帮助文件提供了从基础理论到工程实践过程的综合性文件，提供了原始的理论模型，能够详尽地解释有限元理论所涉及的数学、力学及建模过程的原理。英文原版资料阅读降低了学生吸收知识存在认知偏差的概率，提高了学生阅读世界重要期刊和前沿科技信息的能力。

（二）学生CAE思维能力培养

CAD负责设计产品，为CAE提供造型、装配。CAE负责验证产品性能，减少试样次数、缩短产品开发周期、降低产品开发费用、降低设计风险、优化设计方案、提升设计效率，不断优化CAD设计。在获取理论最优方案后再进行样机生产，通过测试验证设计过程，获得综合评价最优方案。图1为CAD、CAE一体化设计思维方框图。可通过引入具体的应用实例辅助加深学生对该过程的理解。如在某型号谷物收割机[2]设计过程中，当CAD模型设计好以后，工程师根据多年实际经验初步判断收割台右侧后壁可能存在薄弱点，因此采用CAE有限元分析方法进行分析预演，对收割机进行模态分析、瞬态动力响应分析及疲劳分析，由分析结果获得薄弱点并制定CAD改进方案，改进后再进行验证，通过不断修改获得理论最优CAD设计方案。实例的引入能够帮助学生掌握处理问题的思路和方法，形成产品设计的CAE思维。

（三）通用有限元分析软件的农机领域应用

农业机械在使用过程中的环境条件与其他机械有明显不同，软件的使用流程较模式化，难点在于软件的仿真过程与实际工况是否契合，这也是仿真的意义所在。因此，不同种类农机的运行特点，各种可能的工况，结构的支撑和约束方式，受力情况、边界条件、材料特性，常见结构网格划分以及不同结构单元（如梁单元、四面体单元、壳单元）特性等都是需要考虑的因素。图2为雷沃智慧农业对玉米收获机的驾驶室、转向桥桥臂、粮仓支架、摘穗台传动箱、机架、风机叶片等关键部件进行的CAE仿真分析[3-9]。各结构部件通常采用UG实现CAD设计，用Hypermesh实现网格划分前处理，用通用有限元分析软件Nastran进行强度计算等有限元分析和后处理操作。掌握设计方案的应力、应变分布等参量，明确设计薄弱部位，不断地在“设计—仿真—优化”过程中确保结构强度符合要求，在实物样机制作之前获得理论可行的最佳设计方案。教学过程中需要系统地分析软件仿真过程中的每一个环节，与课程理论知识相结合，相互促进提升。

（四）搭建试验平台

样机试制并进行试验测试是CAE设计的重要环节，无论是局部关键结构的试验还是整机试验，都是测试结构性能、验证优化结果的必要手段，使得整个设计形成完整的闭环。如雷沃智慧农业专门建立了大型试验场，配置专业的测试仪器设备使有限元仿真结果与实物进行相互验证和支撑。教学过程中可以针对农业机械结构，引入易于实现的典型环节的典型试验，向学生演示试验原理、设备、步骤和方法，加深其对CAE思维方式的理解。通过试验，可以区分主、次要振源因素，获取科学、合理的外力函数、振动量级和激励力模型，验证结构优化结果；可以进行农机关键部件模态试验设计，实现试验模态与有限元模态计算结果的对标、模态分解、匹配与结论验证；可以进行振动测试试验（随机振动、扫频振动等）和结构疲劳测试试验设计，实现随机振动响应、谐响应分析及疲劳计算的试验验证，精确地估算结构部件的疲劳寿命，验证疲劳分析结果的正确性。

（五）借鉴非农机行业应用

CAE技术在整个制造行业的整体作用在提升，创造的价值越来越被认可。但CAE技术人才培养的时间成本和资源成本都比较高，因而技术门槛整体比较高，因此，除了少数行业积累的CAE分析经验比较成熟，大部分行业的相关经验并不成熟。整体而言，国内的CAE技术应用整体还是比较薄弱的，再加上商业保密的原因，高校很难获得核心资源用于研究生教学。目前获得相关资源的途径主要有通用有限元分析软件的官方网站及学术会议，专业的CAE技术咨询、培训公司官网，公开出版发表的书籍、论文、网页、论坛和视频等，如达索公司提供的仿真软件SIMULIA的全线产品手册（包含Abaqus和Simpack）等，能够开阔学生的视野。另外，上海朴渡信息科技有限公司可以提供结构CAE分析（强度、疲劳寿命、碰撞、结构优化等），物理场仿真分析和平台搭建（振动噪声、流体、电磁仿真、多物理场仿真等），振动噪声测试服务和测试平台搭建等CAE领域的技术咨询服务，学生浏览公司主页可以了解到更多的行业应用项目和种类，以开阔视野，拓展思路。

（六）提升教师能力

授课教师不仅要做到“授人以渔”，而且要为社会育人育才，自身技术素质和知识能力也需要不断提升。目前全世界高校普遍面临的情况是授课内容滞后于行业企业的应用实际，培养社会需要的人才是教师自我改进的方向。对于CAE技术，除了在科研领域的工程应用，教师还可以积极参加学术会议、技术培训、专家讲座等学术交流活动，广泛阅读前沿科技论文，密切关注国内外大型农机企业动态以开阔视野。如达索公司提供的全球3D EXPERIENCE建模仿真大会，演讲嘉宾的实际应用案例可为农机装备产品研发应用提供思路。

（七）课程思政融合

教师应引入课程思政，引导学生了解专业和行业现状，对比分析国内外形势，开阔视野，培养学生的家国情怀和使命担当，在农机行业领域为党育人，为国育才。

1.农机行业的使命感和责任担当

以《管子·轻重篇》中记载的春秋战国时期“齐纨鲁缟”的故事（齐国管仲对鲁国发动人类历史上有文字记载的第一次粮食贸易战）为切入点，以史为鉴，让学生明白，在城市化进程加快、耕地面积减少、人口老龄化趋势明显、农业劳动力持续减少的情况下，粮食安全在国家安全中的重要战略地位，进而了解农机行业的战略地位和发展前景，思考农机行业面对的战略机遇，意识到中国的粮食安全一定要牢牢把握在中国人自己的手中，从而紧跟科技发展脚步，用新知识和新技能武装自己，增强从事农机行业的使命感和责任担当。

2.国际视野和家国情怀

CAE辅助产品研发生产的重要性日益凸显。2020年，全球CAE市场规模为81亿美元，预计到2025年，全球CAE市场规模将达到128亿美元，年复合增长率达9.6%。2021年中国CAE市场规模达21亿元，未来有望实现百亿级增长。海外市场龙头企业优势明显，国内市场集中度也在逐步提升[10]。工业制造是中美博弈的重要领域，但全球CAE市场被前三大供应商（西门子、ANSYS和达索）所主导，市占率达47%，CAE软件仍然被欧美垄断，CAE软件国产化率仅为11%。随着中美贸易摩擦加剧和近年美国对华企业态度收紧，核心技术国产化越来越重要，出于对先进制造和信息安全问题的考虑，国产工业软件更要加快发展脚步，从而实现对国外工业软件的逐步替代，CAE软件国产化刻不容缓。

四、结语

本文在系统分析国内外农机行业引入CAE技术现状以及我国农机行业CAE技术使用不足的基础上，针对农机工程技术人才培养过程中出现的问题，从有限元方法课程理论教学改革、学生CAE思维能力培养、通用有限元分析软件的农机领域应用、试验平台搭建、非农机行业应用借鉴、教师能力提升、课程思政融合七个方面提出农机工程专业研究生CAE思维及应用能力培养的方法和路径，以期有效应对我国农机行业面临的各种现实问题。这不仅为学生提供了扎实的力学、数学基础理论知识从而用于学科领域的更深层次的科研工作，还为学生利用大型商用有限元分析软件解决农业工程中的实际问题提供了基本的学科理论知识素养，使学生能够更加快速地借助软件和试验设备解决农业机械装备研制过程中复杂结构的强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、疲劳断裂等力学性能的分析以及物理场计算问题，实现结构性能的优化设计。同时，这有助于提高农机装备产品设计的效率和质量，为社会培养合格的农机工程技术人才。

［ 参 考 文 献 ］

[1］ 黄巍.CAE技术的发展与在农业机械设计中的应用[J].现代农业科学，2008（12）：106-107.

[2] 秦永峰，冷峻，韩克翠，等.谷物收割机割台侧壁改进设计CAE有限元分析及优化措施[J].农业机械，2020（7）：106-109.

[3］ 何松，冷峻，郇新明，等.玉米收获机驾驶室CAE设计计算分析[J].农业机械，2021（4）：96-103.

[4］ 王小平，冷峻，张提昌，等.玉米收获机转向桥转向臂板强度CAE设计分析[J].农业机械，2021（1）：102-103.

[5] 李金良，冷峻，丁雄飞，等.玉米收获机粮仓支架强度CAE设计计算分析[J].农业机械，2020（2）：102-103.

[6］ 王岩亮，冷峻，张伟，等.玉米收获机传动箱强度CAE设计分析[J].农业机械，2021（2）：108-112.

[7］ 石伟伟，冷峻，刘娜，等.3行玉米收获机机架焊合刚度CAE计算分析[J].农业机械，2021（6）：90-96.

[8］ 张延成，冷峻，戴绍普，等.玉米收获机发动机连接位置底盘机架强度CAE分析[J].农业机械，2020（8）：101-104.

[9］ 李国栋，冷峻，殷杰，等.收割机风机强度CAE计算分析[J].农业机械，2021（3）：99-102.

[10］ 缪欣君.工业软件的思维“CAE”：从虚拟走到现实[R].2021.

［责任编辑：雷 艳］