優(yōu)化設計在農(nóng)業(yè)機械設計的應用
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摘要：優(yōu)化設計是以計算機為手段，在多種方案中選擇出最佳方案的設計方法，優(yōu)化設計對提高產(chǎn)品設計能力具有重要的作用，本文將對優(yōu)化設計在農(nóng)業(yè)機械設計中的應用進行研究，希望能夠促進農(nóng)業(yè)機械設計水平的發(fā)展。
關鍵詞：優(yōu)化設計；農(nóng)業(yè)機械；應用研究
1優(yōu)化設計在農(nóng)業(yè)機械設計中應用的意義
要提高我國農(nóng)機產(chǎn)品的質量，就要大力提高農(nóng)機生產(chǎn)制造水平和設計水平，對傳統(tǒng)的農(nóng)機產(chǎn)品設計進行改進。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機械零部件設計一般采用經(jīng)驗類比，通過力學簡單計算來完成。傳統(tǒng)的設計優(yōu)化方式對設計人員的經(jīng)驗要求較高，很多創(chuàng)新設計和優(yōu)化設計都缺乏數(shù)據(jù)支持，過度的設計導致機械綜合性能提高的同時，制造成本大幅上升。
2優(yōu)化設計的基本思路
優(yōu)化設計是從若干種可行性方案中擇優(yōu)選出一種最佳的設計方法，這種選擇是以初始數(shù)據(jù)為基礎，采用計算機技術聯(lián)合實現(xiàn)的。優(yōu)化設計對軟件計算能力和模型構建能力有較高的依賴，近年來隨著計算機科技的不斷發(fā)展和軟件開發(fā)能力的不斷提高，計算機在機械設計中發(fā)揮了重要的作用。同時，計算機的發(fā)展也使優(yōu)化設計理念得以實現(xiàn)，優(yōu)化設計的思路也越來越開闊。
3計算機軟件在優(yōu)化設計中的應用
要實現(xiàn)優(yōu)化設計在農(nóng)業(yè)機械設計中的應用，先進的軟件技術是必不可少的。設計軟件是設計者的工具，對于農(nóng)業(yè)機械設計者來講，能夠熟練應用軟件完成虛擬制造、實驗和測試，對參數(shù)進行分析，是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機械優(yōu)化設計的必要因素[2]。
3.1ANSYS軟件
ANSYS軟件是一種大型有限元分析軟件，由美國ANSYS公司研發(fā)，這種軟件能夠與多種計算機輔助設計軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，被普遍應用于汽車工業(yè)、建筑橋梁等方面設計中。
3.2ADAMS軟件
ADAMS軟件是一種對機械系統(tǒng)動力學進行自動分析的軟件，由美國機械動力公司開發(fā)，通過ADAMS軟件，能夠建立機械系統(tǒng)幾何模型，對虛擬機械系統(tǒng)進行動力學分析，預測機械系統(tǒng)的性能、碰撞加速和運動范圍等[3]。
4優(yōu)化設計在農(nóng)業(yè)機械設計中的應用
4.1幾何模型的建立
結合設計零部件的特征、材質和其他約束條件，通過Pro/E軟件進行幾何模型的建立，本次研究基于Pro/E軟件應用的基礎上，采用旋轉建模的方法，建立齒輪軸模型。齒輪過渡段圓的半徑R=8.6mm。
4.2模型材料屬性設置
模型材料屬性包含材料材質、密度、彈性模量、泊松比等。
4.3約束與載荷
齒輪的驅動軸兩端，靠的是軸承作為支撐，加載載荷較為復雜，本文通過兩種方式加載扭矩，一種是通過運動學模塊進行扭矩分析，分析的受力情況信息傳遞到結構分析模塊中；一種是取相近的加載扭矩數(shù)值輸入到結構分析模塊中。經(jīng)過判定，本文采用第二種方式。沿著軸向建立起圓柱坐標系，加載圓柱面的殼，厚度取值1mm，這種取值也是為了便于分析，然后找到扭矩加載點，進行扭矩加載。這個環(huán)節(jié)需要注意，驅動力矩要在軸的中部位置加載，扭矩為8600N.mm，在軸的兩端加阻力扭矩，兩端本別為4300N.mm。
4.4模型分析
在模型分析環(huán)節(jié)中，完成受力和約束參數(shù)設置后，在利用Pro/E軟件進行靜態(tài)模型構建，然后對靜態(tài)模型進行相應的分析。通過軟件對構建模型的分析結果可以確定，最大的應力為16.7N/mm2,而設計所用材料材質為45號鋼，最大的屈服應力能夠達到350N/mm2以上，鋼材的屈服應力范圍遠遠大于設計零部件的最大應力，可見在尺寸選擇中相對比較保守。
4.5設計參數(shù)的建立
設計的過程主要是模型建立的過程，而在模型建立的過程中，設計者將要建立許多參數(shù)，其中包括物理性能參數(shù)、結構設計參數(shù)等，這些參數(shù)代表著所用材料的基本屬性和要達到的設計性能，當參數(shù)發(fā)生了變化，建立的模型性能也將隨著發(fā)生變化。如果針對所有參數(shù)進行優(yōu)化，將增加設計過程中龐大的計算量，這樣就需要設計者對這些參數(shù)進行優(yōu)選，結合不同參數(shù)對模型的影響程度，和對設計部件的使用性能的影響，可以優(yōu)先選擇對模型性能影響最大的參數(shù)設置，這種處理方式，也體現(xiàn)出優(yōu)化設計的理念，實現(xiàn)參數(shù)選擇上的優(yōu)化，最有效的、影響最大的參數(shù)信息將被利用，而影響較小的參數(shù)將被忽略。在本次分析案例中，將過渡段尺寸參數(shù)當做設計變量，設計變量的初始值為8.6mm。
4.6優(yōu)化設計
在農(nóng)機設計中采用優(yōu)化設計的目的在于能夠實現(xiàn)通過模型的各項功能計算和設計，達到降低成本，能夠發(fā)揮最優(yōu)性能。在優(yōu)化設計的過程中，要對具有影響效果的約束條件和各類參數(shù)進行設置。本案例設計中，滿足各項受力條件下，所使用的材料質量最小，采用過渡段半徑作為設計參數(shù)，部件的最大應力小于材料許用應力。本案例中選擇的45號鋼，最大的屈服應力大于350N/mm2，安全系數(shù)設定為3.0，軸最大應力＜114N/mm2，結合各參數(shù)和約束條件，從而分析出最優(yōu)的結果。
5結束語
綜上所述，隨著優(yōu)化設計理念的廣泛普及和計算機應用能力的不斷提高，農(nóng)業(yè)機械設計工作者的設計技能必然會得到進一步提高，從而形成成本最優(yōu)，性能最佳的設計產(chǎn)品，為我國農(nóng)業(yè)機械現(xiàn)代化發(fā)展做出更大貢獻。
參考文獻：
[1]汪嘉瑜.基于Pro/E的優(yōu)化設計在農(nóng)機設計中的應用研究[J].南方農(nóng)機，2018，49(7)：73.
[2]鄭濤，朱建錫，費焱，等.基于遺傳算法的農(nóng)業(yè)機械優(yōu)化設計[J].時代農(nóng)機，2018，45(7)：225-227.
[3]李奇福.Pro/E在農(nóng)機件模具設計中的應用分析[J].時代農(nóng)機，2017，44(6)：102+104.
[4]任娟，崔軍，張敏.基于Pro/E的優(yōu)化設計在農(nóng)業(yè)機械設計中的應用[J].中國農(nóng)機化，2008(3)：84-85.
作者：鄧嶺 李程 單位：湖南人文科技學院能源與機電工程學院
