優化設計在農業機械設計的應用

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摘要：優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，優化設計對提高產品設計能力具有重要的作用，本文將對優化設計在農業機械設計中的應用進行研究，希望能夠促進農業機械設計水平的發展。

關鍵詞：優化設計；農業機械；應用研究

1優化設計在農業機械設計中應用的意義

要提高我國農機產品的質量，就要大力提高農機生產制造水平和設計水平，對傳統的農機產品設計進行改進。傳統的農業機械零部件設計一般采用經驗類比，通過力學簡單計算來完成。傳統的設計優化方式對設計人員的經驗要求較高，很多創新設計和優化設計都缺乏數據支持，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優化設計的基本思路

優化設計是從若干種可行性方案中擇優選出一種最佳的設計方法，這種選擇是以初始數據為基礎，采用計算機技術聯合實現的。優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展和軟件開發能力的不斷提高，計算機在機械設計中發揮了重要的作用。同時，計算機的發展也使優化設計理念得以實現，優化設計的思路也越來越開闊。

3計算機軟件在優化設計中的應用

要實現優化設計在農業機械設計中的應用，先進的軟件技術是必不可少的。設計軟件是設計者的工具，對于農業機械設計者來講，能夠熟練應用軟件完成虛擬制造、實驗和測試，對參數進行分析，是實現農業機械優化設計的必要因素[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，這種軟件能夠與多種計算機輔助設計軟件實現數據的共享和交換，被普遍應用于汽車工業、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動力學進行自動分析的軟件，由美國機械動力公司開發，通過ADAMS軟件，能夠建立機械系統幾何模型，對虛擬機械系統進行動力學分析，預測機械系統的性能、碰撞加速和運動范圍等[3]。

4優化設計在農業機械設計中的應用

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值輸入到結構分析模塊中。經過判定，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。這個環節需要注意，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

在模型分析環節中，完成受力和約束參數設置后，在利用Pro/E軟件進行靜態模型構建，然后對靜態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，其中包括物理性能參數、結構設計參數等，這些參數代表著所用材料的基本屬性和要達到的設計性能，當參數發生了變化，建立的模型性能也將隨著發生變化。如果針對所有參數進行優化，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進行優選，結合不同參數對模型的影響程度，和對設計部件的使用性能的影響，可以優先選擇對模型性能影響最大的參數設置，這種處理方式，也體現出優化設計的理念，實現參數選擇上的優化，最有效的、影響最大的參數信息將被利用，而影響較小的參數將被忽略。在本次分析案例中，將過渡段尺寸參數當做設計變量，設計變量的初始值為8.6mm。

4.6優化設計

在農機設計中采用優化設計的目的在于能夠實現通過模型的各項功能計算和設計，達到降低成本，能夠發揮最優性能。在優化設計的過程中，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，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，安全系數設定為3.0，軸最大應力＜114N/mm2，結合各參數和約束條件，從而分析出最優的結果。

5結束語

綜上所述，隨著優化設計理念的廣泛普及和計算機應用能力的不斷提高，農業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，性能最佳的設計產品，為我國農業機械現代化發展做出更大貢獻。

參考文獻：

[1]汪嘉瑜.基于Pro/E的優化設計在農機設計中的應用研究[J].南方農機，2018，49(7)：73.

[2]鄭濤，朱建錫，費焱，等.基于遺傳算法的農業機械優化設計[J].時代農機，2018，45(7)：225-227.

[3]李奇福.Pro/E在農機件模具設計中的應用分析[J].時代農機，2017，44(6)：102+104.

[4]任娟，崔軍，張敏.基于Pro/E的優化設計在農業機械設計中的應用[J].中國農機化，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