農業機械設計中有限元分析軟件的應用研究

王 君

（長治職業技術學院，山西 長治 047400）

將有限元分析軟件科學應用于農業機械設計中，不僅可實現農機產品科技含量的全面提升，還能最大限度地降低農機產品生產周期和生產成本，為促使農業機械設計向規范化、標準化、智能化方向不斷發展提供重要支持。因此，為了提高農業機械生產力，如何將有限元分析軟件科學應用于農業機械設計中，是廣大科研人員亟待解決的問題。

1 有限元的基本思想

有限元法的基本思想是先把一個原來連續的結構（或稱問題的求解域）劃分為一系列單元，如圖1所示，單元之間僅靠節點聯接，并承受等效的節點載荷。單元內部點的待求量可由單元節點量通過選定的函數關系插值求得。由于單元形狀簡單，易于由平衡或能量關系建立節點量之間的方程式（即單元方程）。然后根據變形協調條件，把這些單元方程“組解”在一起而形成總體代數方程組，計入邊界條件后即可對方程組求解。由于單元的個數和節點的數目都是有限的，所以稱為“有限元法”。單元劃分越細，計算結果就越準確。因此，為了充分發揮和利用有限元分析軟件的應用優勢，提高農業機械設計水平，設計人員要重視對這一思想的應用。只有這樣，才能設計出高科技含量的農機產品，為促進我國機械化農業的健康、可持續發展提供重要理論依據。

圖1 有限元法的基本步驟

2 有限元法的基本步驟

為了將有限元分析軟件與農業機械設計進行充分結合，設計人員要嚴格按照圖1所示的有限元法基本步驟，不斷地修正、優化和完善農業機械設計流程。

2.1 結構離散化

在這一環節中，設計人員要將具有連續性的結構轉化為多個離散化單元，單元形式主要包含三角形、曲邊四邊形和矩形[1]。在充分考慮物體所對應的幾何形狀、計算效率等因素的基礎上，科學控制和調整單元形式與單元數量。

2.2 單元特性分析

在進行單元特性分析期間，為了充分發揮和利用單元面積小、形狀簡單的優勢，設計人員要根據單元類型，選用合適的函數，如借助位移函數，對各個單元的實際位移分布情況進行精細化描述。在此基礎上，借助單元的力等效功能[2]，實現對節點載荷的自動化移動。同時，還要利用相應的幾何方程，在充分結合虛功原理的基礎上，實現對多個單元節點位移與節點力之間函數表示式的構建。

2.3 單元組解及方程求解

在進行單元組解期間，設計人員要根據彈性結構所對應的邊界條件，盡可能保證力的平衡性，同時，還要將各個單元進行有效的連接，從而形成一個線性方程組。當單元組解處理結束后，要進入到方程求解階段，從而精確地計算出以下兩個參數，一個是節點的實際位移，另一個是單元應力值。此外，單元組解主要包含以下兩種類型，一種是剛度矩陣組集，另一種是載荷列陣組集。

3 有限元分析軟件概述

有限元分析軟件主要包含三個部分：1）有限元前處理。該部分主要包含幾何模型、有限元網格等元素，從計算模型形成、計算模型分析、計算模型校驗、計算模型輸入等環節出發，可以實現對拓撲、材料和幾何等相關數據的全面收集和整理。2）有限元分析。有限元分析主要包含兩種類型，一種是單元分析[3]，另一種是整體分析，這兩種方式均是用戶對位移、應力值等參數的精確化求解。3）有限元后處理。有限元后處理在具體的運用中，主要是在分析和確定計算結果的基礎上，完成對相關數據的整理和存儲。并采用圖形方式，將最終的數據形象、直觀地呈現在設計人員面前，便于設計人員的查看和調用，從而確保設計人員對最終的設計結果有一個全面、清晰、直觀的判斷[4]，為后期設計方案的優化和完善提供重要的依據。有限元分析軟件組成結構如圖2所示。

4 有限元分析軟件在農業機械設計中的應用案例

為了更好地驗證有限元分析軟件在農業機械設計中的應用效果，現以“YFC-1.7型方草捆撿拾壓捆機”為研究對象，通過借助有限元分析軟件，從模擬仿真、優化結構、優化設計三個環節出發，對壓縮機構進行分析和設計，確保設計方法的可行性和有效性，從而將試制成本降到最低。確保壓捆機能夠穩定、可靠、安全地運行[5]。為此，筆者通過借助SolidWorks三維建模方式，對壓縮機構的結構進行分析和校驗，從而及時發現和解決壓縮機構結構設計問題，以達到提高壓捆機運行性能的目的。SolidWorks作為一種常用的有限元分析軟件，主要利用了有限元分析技術，將分析軟件與SolidWorks進行無縫銜接，在農業機械設計中占據著舉足輕重的地位。

4.1 SolidWorks三維建模

在分析壓縮機構內部結構期間，壓縮活塞發揮出重要作用。由于該活塞具有較高的旋轉速率，其慣性力和旋轉速率變化幅度比較明顯，使得設備產生嚴重的振動或者摩擦。為了從根本上解決活動摩擦式活塞存在的不足和漏洞，設計人員要重視對滾輪式活塞的應用。該活塞內部配置了多個特制滾輪，當該活塞進行運動時，滾輪會自動沿著壓捆室所設置的軌道進行有條不紊的滾動，使得原來的活動摩擦快速轉變為滾動摩擦，有效地提高了活塞Eden運行性能。通過利用SolidWorks有限元分析軟件完成對活塞三維模型的構建，并采用有限元分析法，可完成對最終幾何模型的分析和確定。

4.2 飼草壓捆機結構分析

1）創建虛擬樣機模型。根據相關標準和要求，構建出壓縮活塞三維幾何模型。

2）定義約束。為了實現對有限元模型的準確、科學構建，需要在保證定義正確、約束條件合適的基礎上，完成對壓縮活塞約束的構建。

3）定義載荷。筆者通過借助MATLAB，對壓縮機構內部結構以及相關動力學進行全面分析。

4）添加材料。根據農業機械設計相關標準和要求，選用合適的材料，在充分結合幾何模型的基礎上，將材料的密度、彈性模量和泊松比分別設置為7.9E-6、2.07ES、0.3。

5）建立有限元模型。在正式進入計算之前，設計人員要將幾何模型轉化為相應的有限元模型，這是由于有限元模型可以實現對數學相關概念的精確化抽象和概括。在此基礎上，設計人員要利用SolidWorks強大的前處理功能，完成對活塞有限元模型的構建。

6）運行求解。SolidWorks內部由于設計了Simulation程序，所以為用戶提供了以下多種不同的求解法：①Current LS求解法。該求解法在具體的運用中主要根據當前載荷設置結果，進行相應的求解操作。②From LSFiles求解法。該求解法在具體的運用中主要將載荷數據讀入并保存到指定的載荷文件中，同時，將這些載荷數據添加到相應的模型上，便于后期求解工作的有效開展。③Partial Solu求解法。該求解法主要以局部求解法為主，具有求解效率高、求解針對性強等特點。④Adaptive Mesh求解法。該求解法主要用于對自適應網格的精確化分析和求解。⑤Topologic opt求解法。該求解法的運用可以保證拓撲結構最終優化設計效果[6]。

7）后處理。后處理器主要用于對最終結果的查看，結構文件經常用到的輸出模式主要包含了兩種，一種是圖形顯示，另一種是數據列表顯示。對于SolidWorks而言，其Simulation程序所對應的后處理模塊主要包含兩種，一種是通用后處理模塊，另一種是時間歷程后處理模塊。通過利用應力等值線，可以實現對活塞幾何模型應力變化規律的精確化描述和總結，同時，要在第一時間內快速地界定出活塞幾何模型中危險區域。另外，還能借助圖形窗口，形成多條應力等值線，這些應力等值線可以連續性地通過整個活塞幾何模型[7]。最后，要根據后處理需求不斷優化和完善壓縮活塞的運行性能。在這一過程中，要借助壓縮力的作用，實現對中間擋板受力狀態的科學控制和調整，避免因壓縮力過大而出現嚴重變形現象。此外，要加強對中間擋板結構的優化和修改，確保活塞變形程度完全符合零件相關標準和要求。

5 結語

綜上所述，在有限元分析軟件的應用背景下，筆者通過借助SolidWorks三維建模功能，對壓縮機構活塞結構進行規范化、合理化分析和設計，從而實現對該活塞結構設計流程的優化和完善，為保證農業機械設計質量和效率打下堅實的基礎。此外，通過將這一先進設計思想引入到農業機械設計中，可以從虛擬機分析、虛擬機測試、虛擬機評價和虛擬機修改等環節出發，確保所設計的農業機械化產品具有良好的使用性能，為縮短機械產品的開發周期和減少開發成本發揮出重要作用。