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

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

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

1優(yōu)化設(shè)計在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計中應(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)計水平，對傳統(tǒng)的農(nóng)機(jī)產(chǎn)品設(shè)計進(jìn)行改進(jìn)。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械零部件設(shè)計一般采用經(jīng)驗類比，通過力學(xué)簡單計算來完成。傳統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化方式對設(shè)計人員的經(jīng)驗要求較高，很多創(chuàng)新設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計都缺乏數(shù)據(jù)支持，過度的設(shè)計導(dǎo)致機(jī)械綜合性能提高的同時，制造成本大幅上升。

2優(yōu)化設(shè)計的基本思路

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

3計算機(jī)軟件在優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用

要實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計中的應(yīng)用，先進(jìn)的軟件技術(shù)是必不可少的。設(shè)計軟件是設(shè)計者的工具，對于農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計者來講，能夠熟練應(yīng)用軟件完成虛擬制造、實驗和測試，對參數(shù)進(jìn)行分析，是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械優(yōu)化設(shè)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(jī)輔助設(shè)計軟件實現(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)計中。

3.2ADAMS軟件

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

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

4.1幾何模型的建立

結(jié)合設(shè)計零部件的特征、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，一種是通過運動學(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數(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，進(jìn)行扭矩加載。這個環(huán)節(jié)需要注意，驅(qū)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(shè)置后，在利用Pro/E軟件進(jìn)行靜態(tài)模型構(gòu)建，然后對靜態(tài)模型進(jìn)行相應(yīng)的分析。通過軟件對構(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)計所用材料材質(zhì)為45號鋼，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)計零部件的最大應(yīng)力，可見在尺寸選擇中相對比較保守。

4.5設(shè)計參數(shù)的建立

設(shè)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(shè)計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。如果針對所有參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，將增加設(shè)計過程中龐大的計算量，這樣就需要設(shè)計者對這些參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，結(jié)合不同參數(shù)對模型的影響程度，和對設(shè)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(shè)置，這種處理方式，也體現(xiàn)出優(yōu)化設(shè)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(dāng)做設(shè)計變量，設(shè)計變量的初始值為8.6mm。

4.6優(yōu)化設(shè)計

在農(nóng)機(jī)設(shè)計中采用優(yōu)化設(shè)計的目的在于能夠?qū)崿F(xiàn)通過模型的各項功能計算和設(shè)計，達(dá)到降低成本，能夠發(fā)揮最優(yōu)性能。在優(yōu)化設(shè)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(jìn)行設(shè)置。本案例設(shè)計中，滿足各項受力條件下，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)計理念的廣泛普及和計算機(jī)應(yīng)用能力的不斷提高，農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計工作者的設(shè)計技能必然會得到進(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)計在農(nóng)機(jī)設(shè)計中的應(yīng)用研究[J].南方農(nóng)機(jī)，2018，49(7)：73.

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

[3]李奇福.Pro/E在農(nóng)機(jī)件模具設(shè)計中的應(yīng)用分析[J].時代農(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)計在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計中的應(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