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優(yōu)化設(shè)計(jì)在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)的應(yīng)用

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優(yōu)化設(shè)計(jì)在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)的應(yīng)用

摘要:優(yōu)化設(shè)計(jì)是以計(jì)算機(jī)為手段,在多種方案中選擇出最佳方案的設(shè)計(jì)方法,優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力具有重要的作用,本文將對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行研究,希望能夠促進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)水平的發(fā)展。

關(guān)鍵詞:優(yōu)化設(shè)計(jì);農(nóng)業(yè)機(jī)械;應(yīng)用研究

1優(yōu)化設(shè)計(jì)在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用的意義

要提高我國農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的質(zhì)量,就要大力提高農(nóng)機(jī)生產(chǎn)制造水平和設(shè)計(jì)水平,對(duì)傳統(tǒng)的農(nóng)機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械零部件設(shè)計(jì)一般采用經(jīng)驗(yàn)類比,通過力學(xué)簡單計(jì)算來完成。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化方式對(duì)設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)要求較高,很多創(chuàng)新設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)都缺乏數(shù)據(jù)支持,過度的設(shè)計(jì)導(dǎo)致機(jī)械綜合性能提高的同時(shí),制造成本大幅上升。

2優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本思路

優(yōu)化設(shè)計(jì)是從若干種可行性方案中擇優(yōu)選出一種最佳的設(shè)計(jì)方法,這種選擇是以初始數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),采用計(jì)算機(jī)技術(shù)聯(lián)合實(shí)現(xiàn)的。優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)軟件計(jì)算能力和模型構(gòu)建能力有較高的依賴,近年來隨著計(jì)算機(jī)科技的不斷發(fā)展和軟件開發(fā)能力的不斷提高,計(jì)算機(jī)在機(jī)械設(shè)計(jì)中發(fā)揮了重要的作用。同時(shí),計(jì)算機(jī)的發(fā)展也使優(yōu)化設(shè)計(jì)理念得以實(shí)現(xiàn),優(yōu)化設(shè)計(jì)的思路也越來越開闊。

3計(jì)算機(jī)軟件在優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

要實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用,先進(jìn)的軟件技術(shù)是必不可少的。設(shè)計(jì)軟件是設(shè)計(jì)者的工具,對(duì)于農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)者來講,能夠熟練應(yīng)用軟件完成虛擬制造、實(shí)驗(yàn)和測試,對(duì)參數(shù)進(jìn)行分析,是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換,被普遍應(yīng)用于汽車工業(yè)、建筑橋梁等方面設(shè)計(jì)中。

3.2ADAMS軟件

ADAMS軟件是一種對(duì)機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行自動(dòng)分析的軟件,由美國機(jī)械動(dòng)力公司開發(fā),通過ADAMS軟件,能夠建立機(jī)械系統(tǒng)幾何模型,對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析,預(yù)測機(jī)械系統(tǒng)的性能、碰撞加速和運(yùn)動(dòng)范圍等[3]。

4優(yōu)化設(shè)計(jì)在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

4.1幾何模型的建立

結(jié)合設(shè)計(jì)零部件的特征、材質(zhì)和其他約束條件,通過Pro/E軟件進(jìn)行幾何模型的建立,本次研究基于Pro/E軟件應(yīng)用的基礎(chǔ)上,采用旋轉(zhuǎn)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(shè)置

模型材料屬性包含材料材質(zhì)、密度、彈性模量、泊松比等。

4.3約束與載荷

齒輪的驅(qū)動(dòng)軸兩端,靠的是軸承作為支撐,加載載荷較為復(fù)雜,本文通過兩種方式加載扭矩,一種是通過運(yùn)動(dòng)學(xué)模塊進(jìn)行扭矩分析,分析的受力情況信息傳遞到結(jié)構(gòu)分析模塊中;一種是取相近的加載扭矩?cái)?shù)值輸入到結(jié)構(gòu)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(biāo)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(diǎn),進(jìn)行扭矩加載。這個(gè)環(huán)節(jié)需要注意,驅(qū)動(dòng)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(shè)置后,在利用Pro/E軟件進(jìn)行靜態(tài)模型構(gòu)建,然后對(duì)靜態(tài)模型進(jìn)行相應(yīng)的分析。通過軟件對(duì)構(gòu)建模型的分析結(jié)果可以確定,最大的應(yīng)力為16.7N/mm2,而設(shè)計(jì)所用材料材質(zhì)為45號(hào)鋼,最大的屈服應(yīng)力能夠達(dá)到350N/mm2以上,鋼材的屈服應(yīng)力范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)零部件的最大應(yīng)力,可見在尺寸選擇中相對(duì)比較保守。

4.5設(shè)計(jì)參數(shù)的建立

設(shè)計(jì)的過程主要是模型建立的過程,而在模型建立的過程中,設(shè)計(jì)者將要建立許多參數(shù),其中包括物理性能參數(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)等,這些參數(shù)代表著所用材料的基本屬性和要達(dá)到的設(shè)計(jì)性能,當(dāng)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(duì)所有參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,將增加設(shè)計(jì)過程中龐大的計(jì)算量,這樣就需要設(shè)計(jì)者對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選,結(jié)合不同參數(shù)對(duì)模型的影響程度,和對(duì)設(shè)計(jì)部件的使用性能的影響,可以優(yōu)先選擇對(duì)模型性能影響最大的參數(shù)設(shè)置,這種處理方式,也體現(xiàn)出優(yōu)化設(shè)計(jì)的理念,實(shí)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(dāng)做設(shè)計(jì)變量,設(shè)計(jì)變量的初始值為8.6mm。

4.6優(yōu)化設(shè)計(jì)

在農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)中采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的在于能夠?qū)崿F(xiàn)通過模型的各項(xiàng)功能計(jì)算和設(shè)計(jì),達(dá)到降低成本,能夠發(fā)揮最優(yōu)性能。在優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中,要對(duì)具有影響效果的約束條件和各類參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。本案例設(shè)計(jì)中,滿足各項(xiàng)受力條件下,所使用的材料質(zhì)量最小,采用過渡段半徑作為設(shè)計(jì)參數(shù),部件的最大應(yīng)力小于材料許用應(yīng)力。本案例中選擇的45號(hào)鋼,最大的屈服應(yīng)力大于350N/mm2,安全系數(shù)設(shè)定為3.0,軸最大應(yīng)力<114N/mm2,結(jié)合各參數(shù)和約束條件,從而分析出最優(yōu)的結(jié)果。

5結(jié)束語

綜上所述,隨著優(yōu)化設(shè)計(jì)理念的廣泛普及和計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力的不斷提高,農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)工作者的設(shè)計(jì)技能必然會(huì)得到進(jìn)一步提高,從而形成成本最優(yōu),性能最佳的設(shè)計(jì)產(chǎn)品,為我國農(nóng)業(yè)機(jī)械現(xiàn)代化發(fā)展做出更大貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn):

[1]汪嘉瑜.基于Pro/E的優(yōu)化設(shè)計(jì)在農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[J].南方農(nóng)機(jī),2018,49(7):73.

[2]鄭濤,朱建錫,費(fèi)焱,等.基于遺傳算法的農(nóng)業(yè)機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].時(shí)代農(nóng)機(jī),2018,45(7):225-227.

[3]李奇福.Pro/E在農(nóng)機(jī)件模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析[J].時(shí)代農(nóng)機(jī),2017,44(6):102+104.

[4]任娟,崔軍,張敏.基于Pro/E的優(yōu)化設(shè)計(jì)在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].中國農(nóng)機(jī)化,2008(3):84-85.

作者:鄧嶺 李程 單位:湖南人文科技學(xué)院能源與機(jī)電工程學(xué)院