農業機械現代設計方法綜述

趙 勻

（東北農業大學工程學院，哈爾濱 150030）

隨著科技的發展，許多新的成果被引入優化設計，特別是信息化技術的發展推動了設計方法的革命，開發了系列軟件，其中包括：CAD、ANSYS、ADAMS、VB、VC等，這些軟件各有特色，在應用上相互交叉。其中CAD軟件是應用最廣，對產業發展影響最大的軟件，完全代替了傳統的設計方法，使設計更加快捷方便，且具有記憶功能，使傳輸、保存、調用更加方便。ADAMS軟件不但具備虛擬制造、試驗和測試功能，而且通過二次開發還可以優化參數，VB和VC軟件具有較強的可視性，適合機構的運動學和動力學目標的優化。優化是現代設計的核心技術?，F代設計思想和方法大大推動了制造業的發展；反過來，每個設計者必須掌握現代設計方法，并熟練使用各種軟件工具。

在國際上，航空、航天、汽車、軍工制造業等率先使用現代設計的新技術，農機制造業相對滯后，一般來說在上個世紀相差3～5年，到本世紀時差縮短到1～3年。在上世紀80年代后期，中國開始引入CAD技術。到本世紀已經推廣到高校、研究院所和企業，隨著應用和推廣，CAD技術不斷完善和拓寬，功能更加強大，現在任何機械設計單位如果在設計中不使用CAD軟件幾乎不可思議。其他軟件也有了不同程度的應用，中國技術力量的構架決定現代設計方法和軟件工具首先被研究型高等院校應用，之后是普通院校和大型研究所，最后逐漸轉入生產企業。但是現代設計的核心——系統的優化設計技術在國內應用較少，僅僅局限在個別的學科領域，這是因為系統優化首先要建立理論模型、采用適宜的優化方法、設計相關的優化軟件的基礎上，是一個難度很大的系統工程。例如，應用較為普遍的航空、導彈理論研究面對的介質是空氣，其物理性質相對變化較?。欢r業機械所處理各種物料，其物理性質差異很大，理論研究和優化方法有其特殊性，不能照搬其他理論和方法。現代設計方法的應用如果包括了系統優化則必須建立設計平臺。本文在介紹現代設計方法的同時也將介紹課題組在建設平臺方面所做的探索性工作。

1 平臺的內容

1.1 創新方法的建立

農業機械的創新有特殊性也有其普遍性。農業機械的創新首先是機構的創新，新的機構能夠完成傳統機構所不能完成的技術要求。機構創新由兩部分組成：發現機構創新元素和找到實現創新元素的實施方案。兩者都非常重要，但是對不同的項目，相對難度有所不同：有的發現創新元素難度大[1]，有的尋求實施方案難度更大。

1.2 理論研究成果

理論研究是設計優化、虛擬試驗和測試軟件的基礎。理論創新的主要目的是參數優化，優化是設計的核心。理論研究從理論分析開始，通過理論演繹或實驗回歸建立數學模型和目標函數，設計軟件。理論研究的成果包括專著、文章以及歷屆研究生論文，是現代設計平臺的重要內容。

1.3 優化設計軟件

市場上出售的各種軟件是設計者的工具，其功能越來越強，應用面越來越廣，農機研究者必須掌握。掌握軟件的使用方法主要不是依靠課堂教學，而是依靠工程實踐和實踐過程中的指導。一般來說，老師應該有研究課題，學生（本科和研究生）在完成研究的工作中，通過高年級學生指導低年級學生，將軟件的使用方法傳承下來。盡管市場軟件具有強大的功能，可以完成虛擬制造、試驗和測試工作，但是沒有二次開發就不能進行設計的核心工作——參數優化。沒有精準的參數優化，后面的虛擬制造、試驗和測試工作就沒有意義，這些工作的目的是驗證參數優化的精準程度。農業機械的多參數、強耦合性、模糊性、非線性復雜多目標優化是一項難度很大的工作，傳統的優化方法難以完成。筆者提出了“復優化”和“參數導引”優化方法，在以上方法指導下，設計了“傻瓜”化和全自動軟件，成功的解決了以上復雜的優化問題，轉讓總金額達70萬元。要求研究生對自己所研究的核心工作部件用以上優化方法建立系統的優化軟件，軟件同時具有虛擬制造、試驗和測試的功能，也希望通過辦培訓班使師生掌握設計軟件的方法。

1.4 試驗臺架

完成了以上優化和虛擬試驗工作，下一步是試驗臺架和核心工作部件的研制，在臺架上做核心工作部件的性能和可靠性試驗，在完成以上工作程序后，進行整機設計和田間試驗。目前，課題組在已完成省級重點項目“農業機械產品數字化設計與制造平臺的開發與應用”的基礎上，將探索各種核心部件優化后的計算機自動生成設計圖紙的工作。

1.5 隊伍建設

平臺建設的關鍵是培養一支熟練掌握現代設計方法和工具的隊伍。首先，隊伍的核心成員具有深厚的理論基礎，包括數學、工程力學、機械原理等基礎及專業基礎知識，特別是具備利用所學的基礎知識解決實際問題的能力，例如利用數學知識解決工程力學問題，利用數學、工程力學知識解決機械原理問題，以及利用以上基礎知識解決農業機械理論問題。這方面能力依靠在科研過程中逐漸培養，國家自然科學基金完成過程是培養這方面能力的最好平臺。

2 建立平臺的意義

2.1 農業機械的研究難度

季節性強：農業機械成功需要田間試驗驗證，但是每年田間試驗的時間短，一旦機器出現問題，就可能錯過了試驗季節，只好等待下一年的試驗，所以一般農業機械的研究周期較長。

環境惡劣：表現在兩個方面：農機作業環境變化大，作業條件差；農業機械處理的物料包括土壤、莖稈、果實、幼苗、種子等，物理性能差異很大。

造價低廉：農業產品價格低決定了機器造價必須同樣價格低廉。

適應寬泛：中國農業生產區域氣候環境差異大，同樣作物生產方式各不相同，好的農業機械應該具有寬泛的適應性。

競爭激烈：近年來外資企業紛紛在中國建廠，它們具有雄厚的技術和資金實力，國內產品的競爭力主要在于適應中國的農藝要求和高性價比，與國外產品競爭的關鍵是研發周期的長短，縮短研發周期的主要手段是掌握現代設計方法和建立研發平臺。

2.2 現代設計方法的優點

現代設計方法的核心是參數優化、虛擬制造、試驗和測試，它的優點表現在以下三方面：

縮短周期：農業機械的研究和設計工作主要在室內通過計算機和臺架試驗完成，解決了農機研究的季節性問題。從課題組的研究成果看，所轉讓的14臺樣機田間性能試驗均一次性成功，這樣就大大縮短了研發周期。

降低成本：研制樣機資金投入最大，由于樣機成功率高，大大降低了研究成本。

精準度高：采用了先進的優化方法，優化精度高，所設計研制的機器性能更接近目標的理想值。

3 現代設計方法介紹

現代設計方法的核心是優化參數，本文作者提出了一種新的優化方法，命名為“參數導引”優化方法。該方法通過目標函數的計算，告之每次需要改變的參數，通過逐次逼近目標理想值，最后使所有目標函數計算值與目標函數理想值的差值小于預定的系列微小值。系列理想目標中每個理想目標是一個范圍而不是唯一值。嚴格意義上，所獲得的參數解非最優解，稱之為“非劣解”，有無限多組參數滿足目標要求，每次優化所獲得的參數值相近但不相同，形成“非劣解”群。針對需要解決動力學目標優化的問題，作者提出了“復優化”方法：作者應用“參數導引”優化方法，針對運動學目標優化參數，將“非劣解”群的邊界作為約束條件，以動力學工況作為優化目標，進行動力學優化，得到既滿足運動學目標又達到動力學目標要求的參數值。

現代設計方法的程序見圖1。

圖1 理論設計工作流程Fig.1 Flow of theory design

程序第一步是方案確定，包括調研、分析，最后確定方案。方案確定一定要慎之又慎。一般新涉足研究領域者，往往不重視方案的研究，想到一個方案，沒有群策群力，拿起來就做，結果南轅北轍，花費了大量時間和資金，最后還要從頭做起。緊接著下一個步驟是理論分析，通過理論演繹建立模型，或者通過試驗研究，回歸分析，建立模型。在以上工作的基礎上建立目標函數，這是能精準優化參數的關鍵一步，也是應用“參數導引”優化方法的前提。在VB平臺上設計軟件，軟件要具備優化參數、虛擬制造、試驗和測試的功能。優化參數是整個程序中最為重要的一步，優化參數的效率和精準度是整個設計過程水平的體現。

從圖1看出，現代設計方法與傳統方法比較，在整個過程中增加了大量的新的內容，傳統設計程序所占的比例很小，保留了研制樣機和田間試驗兩個傳統的步驟，其中機械設計由CAD軟件繪圖改為自動生成圖紙。雖然增加了許多新的工作程序，但是大大提高了設計的成功率和縮短了設計周期。

4 現代設計軟件界面

“參數導引”優化方法在VB平臺上建立的軟件界面見圖2。軟件利用了VB平臺的可視性功能，通過點擊界面頂端進入不同的虛擬功能頁面，界面最右端是優化過程中與目標相關的重要數據。顯示重要數據的界面左邊，是系列目標函數，以權重大小，從上到下排列。每項目標下面是由長方形塊連接成的橫線，紅色長方形塊形成的紅線越長越接近理想目標值，黑色長方形塊組成的黑線，表明未達到基本的目標要求，黑線越長離目標值越遠。界面的左下端是主要優化參數，每個參數方框中顯示優化過程中的參數值，參數的右方是正步進和負步進按鈕。軟件使用非常方便，事先輸入優化目標理想值，優化開始后，通過目標函數計算將計算值與各目標理想值比較，找出應該改變的參數。如果需要正步進則該參數的正步進按鈕閃爍，如果需要負步進則負步進按鈕閃爍。操作者只需點擊閃爍按鈕，則相當于完成了一次正或負步進的參數改變。重復以上過程，直至所有按鈕不再閃爍，此時所有目標下呈紅色長條，優化過程結束，各參數值為優化后參數。全自動優化軟件操作更加簡單，只要啟動優化程序，操作者不用再做任何人機對話，直至優化結束，界面顯示優化結果。

圖2 “參數導引”優化軟件界面Fig.2 "Parameter guided"optimization software

5 小 結

現代設計軟件包括兩種：市場出售的各種軟件和自編的優化、虛擬試驗和測試軟件。自編軟件需要做大量的理論和試驗研究工作，市場出售的各種軟件功能越來越強大，可以做虛擬制造、試驗和測試工作。如果優化參數，則必須做二次開發。筆者認為，在VB平臺上作機械優化工作量相對小些。目前課題組在VB平臺上設計的軟件具有二維模擬功能，下一步工作是將二維模擬發展為三維模擬，同時具有原來的優化參數的功能。

[1]趙勻.農機機械分析與綜合[M].北京:機械工業出版社,2008.

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