農機工程技術人才CAE思維及應用能力培養路徑研究

［摘 要］CAE技術在工業領域日益成熟的應用為農機裝備設計與研發提供了更加科學、高效的解決方案，極大地縮減了產品研發周期和成本，以極高的效率實現了產品技術創新。文章在對當前國際、國內農機行業引入CAE技術現狀進行分析的基礎上，針對我國農機行業領域相關應用的短板以及人才培養過程中遇到的問題，從有限元方法課程理論教學改革、學生CAE思維能力培養、通用有限元分析軟件的農機領域應用、試驗平臺搭建、非農機行業應用借鑒、教師能力提升、課程思政融合七個方面提出農機工程專業研究生CAE思維及應用能力培養的方法和路徑，以期有效應對我國農機行業產品研發和設計中面臨的現實問題，補齊我國農機裝備研制過程中的短板，培養合格人才并滿足行業未來長遠發展的需求。

［關鍵詞］有限元方法；CAE思維；教學改革；農業機械

［中圖分類號］G643.0 ［文獻標識碼］A ［文章編號］2095-3437（2024）16-0108-05

以有限元數值分析為主體的CAE（Computer Aided Engineering）技術日益成熟，該技術已深度應用于航空、航天、船舶、機械、車輛、土木等工業領域。狹義上的CAE主要指利用計算機軟件對工程和產品進行物理、力學性能和安全、可靠性分析，以對其未來的工作狀態和運行行為進行模擬和預測、評價和優化，從而及早發現設計缺陷，并判斷工程、產品功能的可用性和可靠性。這意味著在產品CAD（Computer Aided Design）模型設計出來以后、在樣機制作之前，就已經通過仿真分析、數值計算和模型優化獲得了系統最優設計方案，從而極大地縮減了產品研發周期和成本，以極高的效率實現了產品技術創新。將CAE技術引入農機行業領域是農業機械裝備設計和研發的必然趨勢和必要的技術手段，將大大提高產品設計水平和行業競爭力。因此，在面向農機方向的農業工程研究生培養過程中，借鑒CAE技術在其他行業的成熟應用，開展以有限元方法課程為核心載體的CAE技術能力培養，將為農機行業領域培育更多急需的CAE技術人才，補齊我國農機企業設備研制過程中的短板，提升技術研發水平。

一、農機行業引入CAE技術現狀

農業機械裝備的使用具有季節性強、時間緊、任務重、作業環境惡劣等特點，在保障基本功能的同時，降低設備故障率、提高農機裝備的使用壽命是提高農機產品質量、提高農機裝備行業競爭力的關鍵因素。在發達國家的農機巨頭企業中，如美國的約翰迪爾、愛科、凱斯紐荷蘭，德國的克拉斯，日本的洋馬、久保田等，CAE技術已成為農機產品設計與制造流程中一種強制性的工藝規范和必備工具[1]，通用CAE軟件中加入了農機專用功能改進軟件系統，實現了傳統設計無法開展的力學分析和數值計算，大大縮短了產品的開發周期，提高了產品質量和市場競爭力。

我國部分中小型農機企業的產品設計依然停留在傳統設計階段，即通過產品CAD設計形成設計圖紙，再進行樣機試制、調試、試驗、改進和生產。產品結構和功能的合理性和可行性主要由產品設計和樣機試驗來確定，潛在的缺陷和故障則大多反映在用戶的使用過程中，產品設計和功能的改進和完善大多是基于不斷的用戶反饋來完成的。這種傳統設計方法不僅使用戶的使用體驗大打折扣，降低了產品的競爭力，更會造成產品更新換代慢的后果，對于體積較龐大的大型農機裝備來說尤其如此。樣機的反復試制也會造成大量的人力和物力的浪費，延長了裝備的開發周期。

目前，除部分涉農機高校或科研院所的科研需求以外，國內僅有少數頭部大型農機企業將CAE技術引入日常的設計和生產過程中，如雷沃智慧農業、中聯農機等。這些大型農機企業分別屬于大型產業集團，不僅生產農業機械，產品還涵蓋工程機械、消防機械、商用車等多種產品類別。顯然，CAE在其他行業中較為成熟的應用可以很自然地引入農機領域。如中聯重科構建了產品的虛擬化樣機，完全實現了樣機的三維建模、運動學和動力學仿真分析、作業情況模擬等虛擬化設計工作，讓研發過程變得更加高效、可靠。而在雷沃智慧農業，CAE技術在產品設計中的優異表現得到了充分重視，技術逐年累積，逐漸成為農機產品設計與制造流程中一種強制性的工藝規范和必備工具，直接對標國際農機巨頭企業。

二、我國農機行業CAE技術使用的不足

我國農機行業引入CAE技術方法尚未普及，整體處于起步階段。

（一）未能成為一種必要的設計手段

CAE技術在很多中小型農機企業的應用幾乎是空白，而不少大型農機企業也仍處在經驗、技術的不斷積累和發展過程中。總體來看，CAE技術在農機行業仿真項目少、技術單一，同時未形成針對農機的特殊運行環境和復雜工況的相關國家標準，相對于其他行業領域應用較少。

（二）CAE專業技術人才缺乏

高校CAE技術相關專業相對較少，同時其多數畢業生畢業后進入專業的CAE技術公司，或者從事航空、航天、航海、車輛、電子等高科技行業領域工作，加上農機行業本身應用不足，畢業后從事農機行業工作的人才較少。

（三）一些高校農機專業CAE教學基礎薄弱

CAE技術的核心主體是有限元分析，需要有扎實的結構力學、材料力學、彈性力學等知識，還需要掌握求解偏微分方程等高等數學知識，準確理解設計過程中的各個參數的含義。只有這樣，在面對新材料、新技術的出現時，才能充分運用科學分析能力和知識遷移能力。國內一些開設農機專業的高校主要精力用于農機裝備功能的實現及相關基礎理論、機理的研究，相對缺乏大型CAE仿真經驗，多數應用是在學生的畢業設計過程中，且多為小型結構或關鍵部件的應用，其應用深度有限。

（四）缺乏必要的試驗條件

在CAE設計過程中，通過有限元仿真得到的結果往往需要與實物試驗進行相互驗證和支撐，通過不同工況、不同載荷的施加實現仿真與實物的來回對標，是一個不斷改進迭代的過程。這需要構建試驗場，通過專業儀器、設備（如振動、疲勞分析試驗臺等）進行測量和反饋。試驗條件的匱乏也是限制CAE技術應用的一個重要因素。

除此以外，CAE技術在農機行業里交流少、溝通少，缺乏相關的學術會議和技術交流平臺，而傳統的農機設計方式也可以維持產品的研制和開發過程，因此在整個行業中相關技術發展緩慢。

三、農機工程技術人才CAE教學培養改革

針對我國農機行業領域的CAE技術應用現狀，為彌補現階段的不足，滿足未來長遠的發展需求，課題組在深度剖析原因的基礎上積極調整農機專業的課程內容和培養方案，以有限元方法課程為載體，完善課程培養體系，充分發揮專業優勢在人才培養中的作用。通過培養學生的CAE思維，促進行業CAE技術的普及和更高層次應用。

（一）有限元方法課程理論教學改革

有限元方法課程理論知識的學習是首要任務。學生若沒有扎實的理論基礎而僅僅會使用通用的有限元分析軟件，會使得其分析僅僅停留在表面固定模式，缺乏靈活應對各種新結構、新材料以及新工況的能力。當前課程存在“內容繁雜、不連貫，重點內容不突出”“有限元方法與有限元軟件脫節”“試驗環節匱乏”“未突出農機專業特色”等問題，學生普遍反映理論知識晦澀難懂、“學”難以“致用”等問題，造成課程耗時長但實際收效低的局面。因此，課題組在系統梳理有限元方法理論知識體系的基礎上，找準關鍵節點，化繁為簡，采用符合知識學習規律的方式循序漸進地調整課程內容。

在理論課程中同時引入雙語教學。主流CAE軟件市場被歐美壟斷，學生在進行復雜幾何模型計算機數值分析時，要想熟練使用這些全英文的國外軟件，需要掌握英文專業術語，才能查看英文材料獲得第一手信息。如軟件附帶的幫助文件提供了從基礎理論到工程實踐過程的綜合性文件，提供了原始的理論模型，能夠詳盡地解釋有限元理論所涉及的數學、力學及建模過程的原理。英文原版資料閱讀降低了學生吸收知識存在認知偏差的概率，提高了學生閱讀世界重要期刊和前沿科技信息的能力。

（二）學生CAE思維能力培養

CAD負責設計產品，為CAE提供造型、裝配。CAE負責驗證產品性能，減少試樣次數、縮短產品開發周期、降低產品開發費用、降低設計風險、優化設計方案、提升設計效率，不斷優化CAD設計。在獲取理論最優方案后再進行樣機生產，通過測試驗證設計過程，獲得綜合評價最優方案。圖1為CAD、CAE一體化設計思維方框圖。可通過引入具體的應用實例輔助加深學生對該過程的理解。如在某型號谷物收割機[2]設計過程中，當CAD模型設計好以后，工程師根據多年實際經驗初步判斷收割臺右側后壁可能存在薄弱點，因此采用CAE有限元分析方法進行分析預演，對收割機進行模態分析、瞬態動力響應分析及疲勞分析，由分析結果獲得薄弱點并制定CAD改進方案，改進后再進行驗證，通過不斷修改獲得理論最優CAD設計方案。實例的引入能夠幫助學生掌握處理問題的思路和方法，形成產品設計的CAE思維。

（三）通用有限元分析軟件的農機領域應用

農業機械在使用過程中的環境條件與其他機械有明顯不同，軟件的使用流程較模式化，難點在于軟件的仿真過程與實際工況是否契合，這也是仿真的意義所在。因此，不同種類農機的運行特點，各種可能的工況，結構的支撐和約束方式，受力情況、邊界條件、材料特性，常見結構網格劃分以及不同結構單元（如梁單元、四面體單元、殼單元）特性等都是需要考慮的因素。圖2為雷沃智慧農業對玉米收獲機的駕駛室、轉向橋橋臂、糧倉支架、摘穗臺傳動箱、機架、風機葉片等關鍵部件進行的CAE仿真分析[3-9]。各結構部件通常采用UG實現CAD設計，用Hypermesh實現網格劃分前處理，用通用有限元分析軟件Nastran進行強度計算等有限元分析和后處理操作。掌握設計方案的應力、應變分布等參量，明確設計薄弱部位，不斷地在“設計—仿真—優化”過程中確保結構強度符合要求，在實物樣機制作之前獲得理論可行的最佳設計方案。教學過程中需要系統地分析軟件仿真過程中的每一個環節，與課程理論知識相結合，相互促進提升。

（四）搭建試驗平臺

樣機試制并進行試驗測試是CAE設計的重要環節，無論是局部關鍵結構的試驗還是整機試驗，都是測試結構性能、驗證優化結果的必要手段，使得整個設計形成完整的閉環。如雷沃智慧農業專門建立了大型試驗場，配置專業的測試儀器設備使有限元仿真結果與實物進行相互驗證和支撐。教學過程中可以針對農業機械結構，引入易于實現的典型環節的典型試驗，向學生演示試驗原理、設備、步驟和方法，加深其對CAE思維方式的理解。通過試驗，可以區分主、次要振源因素，獲取科學、合理的外力函數、振動量級和激勵力模型，驗證結構優化結果；可以進行農機關鍵部件模態試驗設計，實現試驗模態與有限元模態計算結果的對標、模態分解、匹配與結論驗證；可以進行振動測試試驗（隨機振動、掃頻振動等）和結構疲勞測試試驗設計，實現隨機振動響應、諧響應分析及疲勞計算的試驗驗證，精確地估算結構部件的疲勞壽命，驗證疲勞分析結果的正確性。

（五）借鑒非農機行業應用

CAE技術在整個制造行業的整體作用在提升，創造的價值越來越被認可。但CAE技術人才培養的時間成本和資源成本都比較高，因而技術門檻整體比較高，因此，除了少數行業積累的CAE分析經驗比較成熟，大部分行業的相關經驗并不成熟。整體而言，國內的CAE技術應用整體還是比較薄弱的，再加上商業保密的原因，高校很難獲得核心資源用于研究生教學。目前獲得相關資源的途徑主要有通用有限元分析軟件的官方網站及學術會議，專業的CAE技術咨詢、培訓公司官網，公開出版發表的書籍、論文、網頁、論壇和視頻等，如達索公司提供的仿真軟件SIMULIA的全線產品手冊（包含Abaqus和Simpack）等，能夠開闊學生的視野。另外，上海樸渡信息科技有限公司可以提供結構CAE分析（強度、疲勞壽命、碰撞、結構優化等），物理場仿真分析和平臺搭建（振動噪聲、流體、電磁仿真、多物理場仿真等），振動噪聲測試服務和測試平臺搭建等CAE領域的技術咨詢服務，學生瀏覽公司主頁可以了解到更多的行業應用項目和種類，以開闊視野，拓展思路。

（六）提升教師能力

授課教師不僅要做到“授人以漁”，而且要為社會育人育才，自身技術素質和知識能力也需要不斷提升。目前全世界高校普遍面臨的情況是授課內容滯后于行業企業的應用實際，培養社會需要的人才是教師自我改進的方向。對于CAE技術，除了在科研領域的工程應用，教師還可以積極參加學術會議、技術培訓、專家講座等學術交流活動，廣泛閱讀前沿科技論文，密切關注國內外大型農機企業動態以開闊視野。如達索公司提供的全球3D EXPERIENCE建模仿真大會，演講嘉賓的實際應用案例可為農機裝備產品研發應用提供思路。

（七）課程思政融合

教師應引入課程思政，引導學生了解專業和行業現狀，對比分析國內外形勢，開闊視野，培養學生的家國情懷和使命擔當，在農機行業領域為黨育人，為國育才。

1.農機行業的使命感和責任擔當

以《管子·輕重篇》中記載的春秋戰國時期“齊紈魯縞”的故事（齊國管仲對魯國發動人類歷史上有文字記載的第一次糧食貿易戰）為切入點，以史為鑒，讓學生明白，在城市化進程加快、耕地面積減少、人口老齡化趨勢明顯、農業勞動力持續減少的情況下，糧食安全在國家安全中的重要戰略地位，進而了解農機行業的戰略地位和發展前景，思考農機行業面對的戰略機遇，意識到中國的糧食安全一定要牢牢把握在中國人自己的手中，從而緊跟科技發展腳步，用新知識和新技能武裝自己，增強從事農機行業的使命感和責任擔當。

2.國際視野和家國情懷

CAE輔助產品研發生產的重要性日益凸顯。2020年，全球CAE市場規模為81億美元，預計到2025年，全球CAE市場規模將達到128億美元，年復合增長率達9.6%。2021年中國CAE市場規模達21億元，未來有望實現百億級增長。海外市場龍頭企業優勢明顯，國內市場集中度也在逐步提升[10]。工業制造是中美博弈的重要領域，但全球CAE市場被前三大供應商（西門子、ANSYS和達索）所主導，市占率達47%，CAE軟件仍然被歐美壟斷，CAE軟件國產化率僅為11%。隨著中美貿易摩擦加劇和近年美國對華企業態度收緊，核心技術國產化越來越重要，出于對先進制造和信息安全問題的考慮，國產工業軟件更要加快發展腳步，從而實現對國外工業軟件的逐步替代，CAE軟件國產化刻不容緩。

四、結語

本文在系統分析國內外農機行業引入CAE技術現狀以及我國農機行業CAE技術使用不足的基礎上，針對農機工程技術人才培養過程中出現的問題，從有限元方法課程理論教學改革、學生CAE思維能力培養、通用有限元分析軟件的農機領域應用、試驗平臺搭建、非農機行業應用借鑒、教師能力提升、課程思政融合七個方面提出農機工程專業研究生CAE思維及應用能力培養的方法和路徑，以期有效應對我國農機行業面臨的各種現實問題。這不僅為學生提供了扎實的力學、數學基礎理論知識從而用于學科領域的更深層次的科研工作，還為學生利用大型商用有限元分析軟件解決農業工程中的實際問題提供了基本的學科理論知識素養，使學生能夠更加快速地借助軟件和試驗設備解決農業機械裝備研制過程中復雜結構的強度、剛度、屈曲穩定性、動力響應、疲勞斷裂等力學性能的分析以及物理場計算問題，實現結構性能的優化設計。同時，這有助于提高農機裝備產品設計的效率和質量，為社會培養合格的農機工程技術人才。

［ 參 考 文 獻 ］

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[10］ 繆欣君.工業軟件的思維“CAE”：從虛擬走到現實[R].2021.

［責任編輯：雷 艷］