農業機械設計中有限元分析軟件的應用研究

潘彥江

（定西中醫藥科技中等專業學校，甘肅 定西 743311）

有限元分析是用某種數學近似方法模擬真實的物理系統，用簡單的模型、相關的單元和固定數量的未知數來恢復無限大的未知系統。有限元分析分為三個步驟：預處理、分析和后處理，對幾何進行了相應的簡化，簡化了復雜的工程問題，從而對結果進行建模、分析和計算，為機械設計提供更準確的數據，提高機械設計效率[1-2]。在實際設備加工前檢驗相關性能的合理性，可以節約材料，減少時間成本，提高工作效率。例如，通過有限元分析軟件，分析設備結構有限元模型單元的力學性能，并根據力平衡條件與邊界條件的聯系，形成整體剛度矩陣，對應變和應力進行求解，也就是靜力學分析。通過分析求解出的應變和應力，可以優化零件的設計結構，通過相應的優化設計，可以很好地優化各部件的截面形狀和尺寸，不僅可以提高零件的剛度和強度，還可以降低制造成本，盡可能滿足更多的性能要求。針對結構優化來說，主要分為四個方面：截面優化、形狀優化、外觀優化和拓撲優化。通過結構優化，可以大大提高結構的性能或減輕結構的重量，實現輕量化設計的目的。在降低原有質量的同時，還可以進一步提高結構的剛度，縮短開發周期，獲得可觀的經濟效益。

1 我國農業機械設計現狀

農業機械的工作環境與工作對象具有復雜性與隨機性，這一定程度上對農業機械自身的開發工作造成影響。現階段，我國基本上還在沿用傳統的設計方式，因此在農業機械設計手段和方法上無法與現有工作環境相匹配，并且形成完整理論的體系較少，大多都是定性理論，需要在其他相關或類似專業的標準和經驗的幫助下，利用類比法設計計算。加入世界貿易組織后，我國市場隨之開放，大量國外農產品進入我國市場，對我國農產品市場產生了很大的影響，同時也造成我國農業機械市場受到來自國外主要農業機械制造商的威脅[3]。在國家農業生產機械化程度不斷提高的情況下，在對新型農業機械產品進行研發時還是沿用較為傳統的研究方式。因此，為了提高農業機械產品中的科技含量并縮短設計時長、減少生產成本，可以引進先進的設計方式。

在進行農業機械設計時較為重要的一個環節就是農業機械中相關零部件的應力與變形問題，為對強度與剛度等進行設計計算時提供相關可靠數據。農業機械中的零件基本上可以看作是由桿、板、殼、塊等組成的結構。不超過彈性限度，農機產品中零件的應力、變形和移位等問題可以用彈性方程來形容和解決。此外，用數學思想來看，相關偏微分方程能夠描述一個工程分析問題，例如流體力學與彈性力學的基本方程等。但是由于相關方程式自身的復雜性，大大增加了偏微分方程得出精確解的難度。因此，非常有必要找尋能夠有效解決以上問題的方法，以此獲得能夠滿足工程精度要求的近似解。

現階段，一些有效的數值解法已經被成功找到，如有限元法和有限差分法等。其中，在相關工程中有限元法的應用較頻繁，有限元法是利用高速電子計算機進行計算的一種有效的數值計算方法[4]。有限元法的最大優勢就是模擬結構時能夠使用多種單元類型和節點幾何狀態進行描述，以此來適應各種復雜的邊界形狀和邊界條件，同時還可以對一些較為復雜零件的應力與變形問題進行精確計算。

2 有限元法的基本思想

有限元法的基本思想是將一個連續的結構變為一系列單元，單元之間用節點進行連接，并接受同等的節點荷載。單元內部點的待求解數量是能夠由單元節點數通過選定的函數關系獲得的。因為單元形態較為簡潔，很容易根據平衡或能量關系創建節點數量之間的單元方程。依據相關變形協調要求，將這些單元方程解組合成整體代數方程組，求解之前要將其計入邊界條件[5]。之所以能夠稱為“有限元法”，主要是因為單元和節點的數量是有限的，想要得出較為精確的計算結果，就需要認真對單元進行合理劃分。因此，為了將有限元分析軟件的優點充分發揮出來，提升農業機械設計水平，設計者需要對其進行合理應用。在這種背景下，農業機械設計才會體現出較強的科技感，從而有效推進我國農業機械化穩定、可持續發展。

3 有限元法的基本步驟

為了能夠在農業機械設計中合理并充分應用有限元分析軟件，相關研發設計人員應該根據有限元法的基本步驟，對農業機械設計環節逐步進行改善和優化。有限元法的基本步驟如下：結構離散化→單元特性分析→單元組解→方程求解。

3.1 結構離散化

針對這一部分，相關研發設計人員可以將原本具有連續性的結構轉變為多個離散化單元，單元的表現形式可以是各種形態的，如曲邊四邊形、三角形、矩形等[6-7]。在對物體所對應的多種形態、計算效率等方面進行充分考慮的前提下，對單元形態和數量進行科學合理的調控。

3.2 分析單元特性

分析單元特性時，為了將單元面積小、形狀簡單的優點進行充分展現，相關研發設計人員需要依據單元類型選擇合適的函數。例如，借助位移函數，詳細說明每個單元的實際位移分布。在此前提下，利用單元的力等效作用，使節點荷載的移動自動化。與此同時，合理利用與之相關的幾何方程，與虛功原理相聯系下，構建多單元節點位移與節點力之間的函數表達式。

3.3 單元組解和方程求解

單元組解過程中，相關研發設計人員需要依據與彈性結構相對應的邊界條件，盡最大努力確保力的平衡性，從而有效將各個單元進行關聯，使之形成一個線性方程組。完成單元組解環節后，就要進行方程求解環節，對實際位移和單元應力值的數據進行合理、精確的計算。

4 有限元分析軟件

20世紀40年代初就有人提出有限元法的基本思想，電子計算機出現后才真正將其應用在相關工程中。“有限元法”這個名稱的首次出現是在美國的克拉夫的論文中，之后逐漸得到應用。一直到20世紀80年代初，國內外出現了超過百種的有限元軟件，如ANSYS、ASKA、ADINA、SAP等。有限元軟件功能愈加完善，既包括有限元分析程序，還具有強大的預處理程序和后處理程序。有限元分析軟件主要由三部分構成：有限元前處理、有限元分析、有限元后處理。

4.1 有限元前處理

這部分主要包括構建幾何模型、劃分有限元網格等，從計算模型形成、分析、驗證、輸入等方面入手，實現拓撲、材料、幾何等相關數據的綜合采集和整合。

4.2 有限元分析

有限元分析主要包括兩種類別：單元分析和整體分析，都是相關人員為了求出位移、應力值和其他參數的精確解。

4.3 有限元后處理

實際應用有限元后處理過程中，在分析確定計算結果的前提下，對相關數據進行整合和儲存。最終數據將以圖形方式，形象直觀地展現給相關研發設計人員，有利于相關研發設計人員隨時查看和使用，保障相關研發設計人員對最終設計結果有清晰、整體的判斷，方便之后對設計方案進行合理改進。

5 農業機械設計中應用有限元軟件的案例分析

農業機械設計中應用有效元分析軟件的效果展示，可以以“YFC-1.7型方草捆撿拾壓捆機”為例，借助有限元分析軟件，從模擬仿真、結構調整和設計優化三個環節入手，設計并分析壓縮機構，使設計方法的可行性和有效性得到有效保障，從而最大限度地降低試制成本，同時也要保障方草捆撿拾壓捆機能夠穩定、安全地使用[8]。因此，采用SolidWorks三維建模對壓縮機構的結構進行了分析和驗證，以便及時發現并解決壓縮機構中的結構設計問題，從而提高壓捆機的工作性能。SolidWorks是較為普遍的有限元分析軟件，主要是運用有限元分析技術將分析軟件與SolidWorks進行連接，在農業機械設計中發揮著重要作用[9-10]。

5.1 SolidWorks三維建模

對壓縮機構的內部結構進行分析，壓縮活塞起著至關重要的作用。壓縮活塞的旋轉速度很高，具有較為明顯的慣性力并且旋轉速度變化幅度較大，導致壓縮機構會產生極大的震動。對移動摩擦式活塞中存在的問題進行有效改善的重點就是相關人員重視使用滾輪式活塞。滾輪式活塞內配置多個專用滾輪，當活塞移動時，滾輪將自動沿著壓捆室中設置的軌道有序滾動，將原有的移動摩擦迅速轉化為滾動摩擦，有效提高活塞的工作性能。通過SolidWorks有限元分析軟件構建活塞三維模型。

5.2 飼草壓捆機結構分析

1）建立樣機模型。依據具體要求和標準，創建活塞三維幾何模型。

2）定義約束。要創建正確的有限元模型，就需要相應正確的定義與合理的約束，以此保證有限元模型的正確與合理性。

3）定義荷載。應用MATLAB，并結合相關方程式與力學公式，對壓縮機構內部進行動力學分析。通過機構中滑塊的數據變化，清晰地將壓縮機構的工作過程進行展現，且效果良好。由于該軟件數據可視化，相關人員可以根據數據對計算結果進行合理分析，從而對壓捆機的實際荷載量進行定義。

4）添加材料。在挑選合適材料時，要依據農業機械設計的相關要求與標準，同時也要與相應幾何模型進行充分結合，設置材料密度、泊松、彈性模量等。

5）創建有限元模型。在進行相關計算前，研發設計人員需要將幾何模型轉變為相對應的有限元模型，要想實現對數學相關觀點的準確性總結，就需要有限元模型。在此前提下，研發設計人員要合理應用SolidWorks的預處理功能，創建有效的活塞有限元模型。

6）運行求解。由于SolidWorks內部具有Simulation功能，可以為研發設計人員提供多種求解方式。第一，Current LS求解方式。依據目前荷載設置結果，進行求解。第二，From LS Files求解。讀取相關荷載數據并保存在指定文件中，并且需要將這些數據應用在幾何模型上，有利于日后進行求解工作。第三，Partial Solu求解。對局部進行求解，針對性強，效率高。第四，Adaptive Mesh求解。該方法適用于自適應網格精確化求解。第五，Topologic opt求解。此方式能夠確保拓撲結構的最后優化效果。

7）后處理。后處理器主要用于查看最終結果，結果文件中經常使用兩種輸出模式，分別是圖形顯示與數據列表顯示。針對SolidWorks來講，其仿真程序相應的后處理部分主要包括兩類，一類是通用后處理模塊，另一類是時間歷程后處理模塊。運用應力等值線可以準確地描述和總結活塞幾何模型的應力變化規律，同時，相關研發設計人員需要將活塞幾何模型中的危險區域及時快速地進行定義。此外，還可以通過圖形窗口形成多個應力等值線，這些應力等值線能夠持續通過整個活塞幾何模型。最后，應根據后處理要求對壓縮活塞的工作性能進行優化與改進。在此過程中，需要借助壓縮力，科學合理地控制與調整中間擋板的應力狀態，使其不會因為壓縮力過大而產生嚴重變形。另外，在符合零件的相關標準和要求的前提下，對中間擋板結構進行加強與優化改造，以此保證活塞的變形程度。

6 結束語

綜上，基于在農業機械設計中應用有限元分析軟件的背景，借助SolidWorks軟件功能，科學合理地設計壓縮機構中的活塞部分，以優化和改進活塞結構設計過程，以此確保農業機械的設計質量和效率，為后續工作夯實基礎。另外，在農業機械設計中，有效融合先進設計理念，可以從虛擬機分析、評估、檢測、改造等環節入手，對農業機械產品的使用性能進行嚴格把關，有效縮短農業機械產品的研發時長，并降低開發成本。