王 君

（長(zhǎng)治職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 長(zhǎng)治 047400）

將有限元分析軟件科學(xué)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中，不僅可實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)產(chǎn)品科技含量的全面提升，還能最大限度地降低農(nóng)機(jī)產(chǎn)品生產(chǎn)周期和生產(chǎn)成本，為促使農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)向規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化方向不斷發(fā)展提供重要支持。因此，為了提高農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)力，如何將有限元分析軟件科學(xué)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中，是廣大科研人員亟待解決的問(wèn)題。

1 有限元的基本思想

有限元法的基本思想是先把一個(gè)原來(lái)連續(xù)的結(jié)構(gòu)（或稱問(wèn)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(jié)點(diǎn)聯(lián)接，并承受等效的節(jié)點(diǎn)載荷。單元內(nèi)部點(diǎn)的待求量可由單元節(jié)點(diǎn)量通過(guò)選定的函數(shù)關(guān)系插值求得。由于單元形狀簡(jiǎn)單，易于由平衡或能量關(guān)系建立節(jié)點(diǎn)量之間的方程式（即單元方程）。然后根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件，把這些單元方程“組解”在一起而形成總體代數(shù)方程組，計(jì)入邊界條件后即可對(duì)方程組求解。由于單元的個(gè)數(shù)和節(jié)點(diǎn)的數(shù)目都是有限的，所以稱為“有限元法”。單元?jiǎng)澐衷郊?xì)，計(jì)算結(jié)果就越準(zhǔn)確。因此，為了充分發(fā)揮和利用有限元分析軟件的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，提高農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)水平，設(shè)計(jì)人員要重視對(duì)這一思想的應(yīng)用。只有這樣，才能設(shè)計(jì)出高科技含量的農(nóng)機(jī)產(chǎn)品，為促進(jìn)我國(guó)機(jī)械化農(nóng)業(yè)的健康、可持續(xù)發(fā)展提供重要理論依據(jù)。

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(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)進(jìn)行充分結(jié)合，設(shè)計(jì)人員要嚴(yán)格按照?qǐng)D1所示的有限元法基本步驟，不斷地修正、優(yōu)化和完善農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)流程。

2.1 結(jié)構(gòu)離散化

在這一環(huán)節(jié)中，設(shè)計(jì)人員要將具有連續(xù)性的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為多個(gè)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(duì)應(yīng)的幾何形狀、計(jì)算效率等因素的基礎(chǔ)上，科學(xué)控制和調(diào)整單元形式與單元數(shù)量。

2.2 單元特性分析

在進(jìn)行單元特性分析期間，為了充分發(fā)揮和利用單元面積小、形狀簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)人員要根據(jù)單元類(lèi)型，選用合適的函數(shù)，如借助位移函數(shù)，對(duì)各個(gè)單元的實(shí)際位移分布情況進(jìn)行精細(xì)化描述。在此基礎(chǔ)上，借助單元的力等效功能[2]，實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)載荷的自動(dòng)化移動(dòng)。同時(shí)，還要利用相應(yīng)的幾何方程，在充分結(jié)合虛功原理的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)單元節(jié)點(diǎn)位移與節(jié)點(diǎn)力之間函數(shù)表示式的構(gòu)建。

2.3 單元組解及方程求解

在進(jìn)行單元組解期間，設(shè)計(jì)人員要根據(jù)彈性結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的邊界條件，盡可能保證力的平衡性，同時(shí)，還要將各個(gè)單元進(jìn)行有效的連接，從而形成一個(gè)線性方程組。當(dāng)單元組解處理結(jié)束后，要進(jìn)入到方程求解階段，從而精確地計(jì)算出以下兩個(gè)參數(shù)，一個(gè)是節(jié)點(diǎn)的實(shí)際位移，另一個(gè)是單元應(yīng)力值。此外，單元組解主要包含以下兩種類(lèi)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(gè)部分：1）有限元前處理。該部分主要包含幾何模型、有限元網(wǎng)格等元素，從計(jì)算模型形成、計(jì)算模型分析、計(jì)算模型校驗(yàn)、計(jì)算模型輸入等環(huán)節(jié)出發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)拓?fù)?、材料和幾何等相關(guān)數(shù)據(jù)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(lèi)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(duì)位移、應(yīng)力值等參數(shù)的精確化求解。3）有限元后處理。有限元后處理在具體的運(yùn)用中，主要是在分析和確定計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，完成對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的整理和存儲(chǔ)。并采用圖形方式，將最終的數(shù)據(jù)形象、直觀地呈現(xiàn)在設(shè)計(jì)人員面前，便于設(shè)計(jì)人員的查看和調(diào)用，從而確保設(shè)計(jì)人員對(duì)最終的設(shè)計(jì)結(jié)果有一個(gè)全面、清晰、直觀的判斷[4]，為后期設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化和完善提供重要的依據(jù)。有限元分析軟件組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4 有限元分析軟件在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用案例

為了更好地驗(yàn)證有限元分析軟件在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用效果，現(xiàn)以“YFC-1.7型方草捆撿拾壓捆機(jī)”為研究對(duì)象，通過(guò)借助有限元分析軟件，從模擬仿真、優(yōu)化結(jié)構(gòu)、優(yōu)化設(shè)計(jì)三個(gè)環(huán)節(jié)出發(fā)，對(duì)壓縮機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，確保設(shè)計(jì)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(jī)能夠穩(wěn)定、可靠、安全地運(yùn)行[5]。為此，筆者通過(guò)借助SolidWorks三維建模方式，對(duì)壓縮機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和校驗(yàn)，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決壓縮機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題，以達(dá)到提高壓捆機(jī)運(yùn)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(shù)，將分析軟件與SolidWorks進(jìn)行無(wú)縫銜接，在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中占據(jù)著舉足輕重的地位。

4.1 SolidWorks三維建模

在分析壓縮機(jī)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)期間，壓縮活塞發(fā)揮出重要作用。由于該活塞具有較高的旋轉(zhuǎn)速率，其慣性力和旋轉(zhuǎn)速率變化幅度比較明顯，使得設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重的振動(dòng)或者摩擦。為了從根本上解決活動(dòng)摩擦式活塞存在的不足和漏洞，設(shè)計(jì)人員要重視對(duì)滾輪式活塞的應(yīng)用。該活塞內(nèi)部配置了多個(gè)特制滾輪，當(dāng)該活塞進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)，滾輪會(huì)自動(dòng)沿著壓捆室所設(shè)置的軌道進(jìn)行有條不紊的滾動(dòng)，使得原來(lái)的活動(dòng)摩擦快速轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，有效地提高了活塞Eden運(yùn)行性能。通過(guò)利用SolidWorks有限元分析軟件完成對(duì)活塞三維模型的構(gòu)建，并采用有限元分析法，可完成對(duì)最終幾何模型的分析和確定。

4.2 飼草壓捆機(jī)結(jié)構(gòu)分析

1）創(chuàng)建虛擬樣機(jī)模型。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，構(gòu)建出壓縮活塞三維幾何模型。

2）定義約束。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)有限元模型的準(zhǔn)確、科學(xué)構(gòu)建，需要在保證定義正確、約束條件合適的基礎(chǔ)上，完成對(duì)壓縮活塞約束的構(gòu)建。

3）定義載荷。筆者通過(guò)借助MATLAB，對(duì)壓縮機(jī)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及相關(guān)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行全面分析。

4）添加材料。根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，選用合適的材料，在充分結(jié)合幾何模型的基礎(chǔ)上，將材料的密度、彈性模量和泊松比分別設(shè)置為7.9E-6、2.07ES、0.3。

5）建立有限元模型。在正式進(jìn)入計(jì)算之前，設(shè)計(jì)人員要將幾何模型轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的有限元模型，這是由于有限元模型可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)學(xué)相關(guān)概念的精確化抽象和概括。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)人員要利用SolidWorks強(qiáng)大的前處理功能，完成對(duì)活塞有限元模型的構(gòu)建。

6）運(yùn)行求解。SolidWorks內(nèi)部由于設(shè)計(jì)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(yùn)用中主要根據(jù)當(dāng)前載荷設(shè)置結(jié)果，進(jìn)行相應(yīng)的求解操作。②From LSFiles求解法。該求解法在具體的運(yùn)用中主要將載荷數(shù)據(jù)讀入并保存到指定的載荷文件中，同時(shí)，將這些載荷數(shù)據(jù)添加到相應(yīng)的模型上，便于后期求解工作的有效開(kāi)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(duì)性強(qiáng)等特點(diǎn)。④Adaptive Mesh求解法。該求解法主要用于對(duì)自適應(yīng)網(wǎng)格的精確化分析和求解。⑤Topologic opt求解法。該求解法的運(yùn)用可以保證拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最終優(yōu)化設(shè)計(jì)效果[6]。

7）后處理。后處理器主要用于對(duì)最終結(jié)果的查看，結(jié)構(gòu)文件經(jīng)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(shù)據(jù)列表顯示。對(duì)于SolidWorks而言，其Simulation程序所對(duì)應(yīng)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(shí)間歷程后處理模塊。通過(guò)利用應(yīng)力等值線，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)活塞幾何模型應(yīng)力變化規(guī)律的精確化描述和總結(jié)，同時(shí)，要在第一時(shí)間內(nèi)快速地界定出活塞幾何模型中危險(xiǎn)區(qū)域。另外，還能借助圖形窗口，形成多條應(yīng)力等值線，這些應(yīng)力等值線可以連續(xù)性地通過(guò)整個(gè)活塞幾何模型[7]。最后，要根據(jù)后處理需求不斷優(yōu)化和完善壓縮活塞的運(yùn)行性能。在這一過(guò)程中，要借助壓縮力的作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)中間擋板受力狀態(tài)的科學(xué)控制和調(diào)整，避免因壓縮力過(guò)大而出現(xiàn)嚴(yán)重變形現(xiàn)象。此外，要加強(qiáng)對(duì)中間擋板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和修改，確?；钊冃纬潭韧耆狭慵嚓P(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在有限元分析軟件的應(yīng)用背景下，筆者通過(guò)借助SolidWorks三維建模功能，對(duì)壓縮機(jī)構(gòu)活塞結(jié)構(gòu)進(jìn)行規(guī)范化、合理化分析和設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)該活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程的優(yōu)化和完善，為保證農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。此外，通過(guò)將這一先進(jìn)設(shè)計(jì)思想引入到農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中，可以從虛擬機(jī)分析、虛擬機(jī)測(cè)試、虛擬機(jī)評(píng)價(jià)和虛擬機(jī)修改等環(huán)節(jié)出發(fā)，確保所設(shè)計(jì)的農(nóng)業(yè)機(jī)械化產(chǎn)品具有良好的使用性能，為縮短機(jī)械產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期和減少開(kāi)發(fā)成本發(fā)揮出重要作用。