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农业机械设计中有限元分析软件应用

2021-09-29 10:20 来源:农业机械论文 人参与在线咨询

摘要:为了解决我国农业机械工作环境多变、复杂、随机性强、设计手段落后等问题,现以“YFC-1.7型方草捆捡拾压捆机”为例,将有限元分析软件科学应用于农业机械设计中。根据有限元基本思想,在充分结合有限元法基本步骤基础上,对有限元分析软件相关组成结构进行介绍。从SolidWorks三维建模、饲草压捆机结构分析两个方面入手,验证有限元分析软件在农业机械设计中的应用效果。结果表明:有限元分析软件运行正常、可靠、稳定,各个功能模块实现满足农业机械设计相关要求,符合实际应用需求。

关键词:农业机械设计;有限元分析软件;应用研究

将有限元分析软件科学应用于农业机械设计中,不仅可实现农机产品科技含量的全面提升,还能最大限度地降低农机产品生产周期和生产成本,为促使农业机械设计向规范化、标准化、智能化方向不断发展提供重要支持。因此,为了提高农业机械生产力,如何将有限元分析软件科学应用于农业机械设计中,是广大科研人员亟待解决的问题。

1有限元的基本思想

有限元法的基本思想是先把一个原来连续的结构(或称问题的求解域)划分为一系列单元,如图1所示,单元之间仅靠节点联接,并承受等效的节点载荷。单元内部点的待求量可由单元节点量通过选定的函数关系插值求得。由于单元形状简单,易于由平衡或能量关系建立节点量之间的方程式(即单元方程)。然后根据变形协调条件,把这些单元方程“组解”在一起而形成总体代数方程组,计入边界条件后即可对方程组求解。由于单元的个数和节点的数目都是有限的,所以称为“有限元法”。单元划分越细,计算结果就越准确。因此,为了充分发挥和利用有限元分析软件的应用优势,提高农业机械设计水平,设计人员要重视对这一思想的应用。只有这样,才能设计出高科技含量的农机产品,为促进我国机械化农业的健康、可持续发展提供重要理论依据。

2有限元法的基本步骤

为了将有限元分析软件与农业机械设计进行充分结合,设计人员要严格按照图1所示的有限元法基本步骤,不断地修正、优化和完善农业机械设计流程。

2.1结构离散化

在这一环节中,设计人员要将具有连续性的结构转化为多个离散化单元,单元形式主要包含三角形、曲边四边形和矩形[1]。在充分考虑物体所对应的几何形状、计算效率等因素的基础上,科学控制和调整单元形式与单元数量。

2.2单元特性分析

在进行单元特性分析期间,为了充分发挥和利用单元面积小、形状简单的优势,设计人员要根据单元类型,选用合适的函数,如借助位移函数,对各个单元的实际位移分布情况进行精细化描述。在此基础上,借助单元的力等效功能[2],实现对节点载荷的自动化移动。同时,还要利用相应的几何方程,在充分结合虚功原理的基础上,实现对多个单元节点位移与节点力之间函数表示式的构建。

2.3单元组解及方程求解

在进行单元组解期间,设计人员要根据弹性结构所对应的边界条件,尽可能保证力的平衡性,同时,还要将各个单元进行有效的连接,从而形成一个线性方程组。当单元组解处理结束后,要进入到方程求解阶段,从而精确地计算出以下两个参数,一个是节点的实际位移,另一个是单元应力值。此外,单元组解主要包含以下两种类型,一种是刚度矩阵组集,另一种是载荷列阵组集。

3有限元分析软件概述

有限元分析软件主要包含三个部分:1)有限元前处理。该部分主要包含几何模型、有限元网格等元素,从计算模型形成、计算模型分析、计算模型校验、计算模型输入等环节出发,可以实现对拓扑、材料和几何等相关数据的全面收集和整理。2)有限元分析。有限元分析主要包含两种类型,一种是单元分析[3],另一种是整体分析,这两种方式均是用户对位移、应力值等参数的精确化求解。3)有限元后处理。有限元后处理在具体的运用中,主要是在分析和确定计算结果的基础上,完成对相关数据的整理和存储。并采用图形方式,将最终的数据形象、直观地呈现在设计人员面前,便于设计人员的查看和调用,从而确保设计人员对最终的设计结果有一个全面、清晰、直观的判断[4],为后期设计方案的优化和完善提供重要的依据。有限元分析软件组成结构如图2所示。

4有限元分析软件在农业机械设计中的应用案例

为了更好地验证有限元分析软件在农业机械设计中的应用效果,现以“YFC-1.7型方草捆捡拾压捆机”为研究对象,通过借助有限元分析软件,从模拟仿真、优化结构、优化设计三个环节出发,对压缩机构进行分析和设计,确保设计方法的可行性和有效性,从而将试制成本降到最低。确保压捆机能够稳定、可靠、安全地运行[5]。为此,笔者通过借助SolidWorks三维建模方式,对压缩机构的结构进行分析和校验,从而及时发现和解决压缩机构结构设计问题,以达到提高压捆机运行性能的目的。SolidWorks作为一种常用的有限元分析软件,主要利用了有限元分析技术,将分析软件与SolidWorks进行无缝衔接,在农业机械设计中占据着举足轻重的地位。

4.1SolidWorks三维建模

在分析压缩机构内部结构期间,压缩活塞发挥出重要作用。由于该活塞具有较高的旋转速率,其惯性力和旋转速率变化幅度比较明显,使得设备产生严重的振动或者摩擦。为了从根本上解决活动摩擦式活塞存在的不足和漏洞,设计人员要重视对滚轮式活塞的应用。该活塞内部配置了多个特制滚轮,当该活塞进行运动时,滚轮会自动沿着压捆室所设置的轨道进行有条不紊的滚动,使得原来的活动摩擦快速转变为滚动摩擦,有效地提高了活塞Eden运行性能。通过利用SolidWorks有限元分析软件完成对活塞三维模型的构建,并采用有限元分析法,可完成对最终几何模型的分析和确定。

4.2饲草压捆机结构分析

1)创建虚拟样机模型。根据相关标准和要求,构建出压缩活塞三维几何模型。2)定义约束。为了实现对有限元模型的准确、科学构建,需要在保证定义正确、约束条件合适的基础上,完成对压缩活塞约束的构建。3)定义载荷。笔者通过借助MATLAB,对压缩机构内部结构以及相关动力学进行全面分析。4)添加材料。根据农业机械设计相关标准和要求,选用合适的材料,在充分结合几何模型的基础上,将材料的密度、弹性模量和泊松比分别设置为7.9E-6、2.07ES、0.3。5)建立有限元模型。在正式进入计算之前,设计人员要将几何模型转化为相应的有限元模型,这是由于有限元模型可以实现对数学相关概念的精确化抽象和概括。在此基础上,设计人员要利用SolidWorks强大的前处理功能,完成对活塞有限元模型的构建。6)运行求解。SolidWorks内部由于设计了Simulation程序,所以为用户提供了以下多种不同的求解法:①CurrentLS求解法。该求解法在具体的运用中主要根据当前载荷设置结果,进行相应的求解操作。②FromLSFiles求解法。该求解法在具体的运用中主要将载荷数据读入并保存到指定的载荷文件中,同时,将这些载荷数据添加到相应的模型上,便于后期求解工作的有效开展。③PartialSolu求解法。该求解法主要以局部求解法为主,具有求解效率高、求解针对性强等特点。④AdaptiveMesh求解法。该求解法主要用于对自适应网格的精确化分析和求解。⑤Topologicopt求解法。该求解法的运用可以保证拓扑结构最终优化设计效果[6]。7)后处理。后处理器主要用于对最终结果的查看,结构文件经常用到的输出模式主要包含了两种,一种是图形显示,另一种是数据列表显示。对于SolidWorks而言,其Simulation程序所对应的后处理模块主要包含两种,一种是通用后处理模块,另一种是时间历程后处理模块。通过利用应力等值线,可以实现对活塞几何模型应力变化规律的精确化描述和总结,同时,要在第一时间内快速地界定出活塞几何模型中危险区域。另外,还能借助图形窗口,形成多条应力等值线,这些应力等值线可以连续性地通过整个活塞几何模型[7]。最后,要根据后处理需求不断优化和完善压缩活塞的运行性能。在这一过程中,要借助压缩力的作用,实现对中间挡板受力状态的科学控制和调整,避免因压缩力过大而出现严重变形现象。此外,要加强对中间挡板结构的优化和修改,确保活塞变形程度完全符合零件相关标准和要求。

5结语

综上所述,在有限元分析软件的应用背景下,笔者通过借助SolidWorks三维建模功能,对压缩机构活塞结构进行规范化、合理化分析和设计,从而实现对该活塞结构设计流程的优化和完善,为保证农业机械设计质量和效率打下坚实的基础。此外,通过将这一先进设计思想引入到农业机械设计中,可以从虚拟机分析、虚拟机测试、虚拟机评价和虚拟机修改等环节出发,确保所设计的农业机械化产品具有良好的使用性能,为缩短机械产品的开发周期和减少开发成本发挥出重要作用。

作者:王君 单位:长治职业技术学院

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