李海亮等

摘要隨著科學(xué)技術(shù)手段的不斷發(fā)展，依靠計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過(guò)機(jī)械設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法被廣泛應(yīng)用到農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)當(dāng)中，目前普遍使用的軟件多種多樣，文章對(duì)常用的二維和三維CAD軟件、CAE軟件和虛擬樣機(jī)技術(shù)在我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用進(jìn)行了介紹，并就目前軟件在農(nóng)業(yè)設(shè)計(jì)應(yīng)用過(guò)程中存在的問(wèn)題和今后的發(fā)展方向提出了自己的觀點(diǎn)。

關(guān)鍵詞機(jī)械設(shè)計(jì)軟件；農(nóng)業(yè)機(jī)械；應(yīng)用

中圖分類號(hào)S23-0文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2014）21-07234-03

Application of Mechanical Design Software in Agricultural Machinery in China

LI Hailiang， HU Jun et al （Heilongjiang Bayi Agricultural University， Daqing， Heilongjiang 163319）

AbstractWith the continuous development of science and technology， the modern design method depends on computer system and machine design software is widely used in agricultural machinery design， currently the widespread software are various， this paper introduced the application situation of some software， which include 2D and 3D CAD software， CAE software and Virtual Prototype Technology， put forward views about the problems existing in the application in agriculture and the development direction in the future.

Key words Mechanical design software； Agricultural machinery； Application

農(nóng)業(yè)機(jī)械是發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)模化和集約化的重要標(biāo)志[1]。 農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)是農(nóng)業(yè)機(jī)械化和現(xiàn)代化的重要內(nèi)容和步驟，設(shè)計(jì)水平的高低直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量性能、研制周期和經(jīng)濟(jì)效益[2]。隨著傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的依靠理論和經(jīng)驗(yàn)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法已不能滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展需求，因此大量的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和軟件不斷涌現(xiàn)，應(yīng)用也日漸廣泛。

1 CAD繪圖軟件

1.1Auto-CAD繪圖軟件的發(fā)展Auto-CAD軟件是應(yīng)用最早的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)繪圖軟件，于20世紀(jì)60年代誕生于美國(guó)的Auto desk公司。此軟件的出現(xiàn)使機(jī)械設(shè)計(jì)方式從根本上發(fā)生了改變，提高了工程圖紙的質(zhì)量和繪制速度。由于昂貴的硬件設(shè)施，起初Auto-CAD僅應(yīng)用在汽車、航空航天和電子產(chǎn)品制造等高新技術(shù)領(lǐng)域中。20世紀(jì)80年代，隨著計(jì)算機(jī)的普及，其應(yīng)用范圍也逐漸變廣。

以Auto-CAD為代表的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)繪圖軟件自20世紀(jì)80年代初[3]引入我國(guó)后，于90年代[4]在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，在農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造上也逐漸應(yīng)用。該軟件的使用降低了設(shè)計(jì)成本，增加了企業(yè)對(duì)市場(chǎng)的反應(yīng)速度，提高了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

1.2CAD繪圖軟件的二次開(kāi)發(fā) 我國(guó)一直致力于國(guó)產(chǎn)CAD軟件的研制，如CAXA、浩辰CAD等。同時(shí)，用戶可以通過(guò)Autolisp、VBA、Visual Lisp等內(nèi)嵌式語(yǔ)言對(duì)Auto-CAD進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，可以使軟件在原有功能的基礎(chǔ)上，增加軟件自身本來(lái)不具備的新功能。在這方面我國(guó)的科研工作者也做出了不懈的努力，并取得了一定的成果。

山東德州學(xué)院[5]和河南科技學(xué)院[6]對(duì)軟件的二次開(kāi)發(fā)進(jìn)行了研究，對(duì)軟件的參數(shù)化繪圖程序進(jìn)行了升級(jí)；江蘇理工大學(xué)[7]、大連理工大學(xué)[8]、上海電機(jī)學(xué)院[9]通過(guò)對(duì)軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，分別建立聯(lián)合收割機(jī)割臺(tái)CAD系統(tǒng)、液壓CAD系統(tǒng)和攪拌器CAD系統(tǒng)的設(shè)計(jì)平臺(tái)。

2三維CAD的應(yīng)用

2.1 三維CAD的發(fā)展農(nóng)業(yè)機(jī)械零部件中存在大量的鈑金件、復(fù)雜的曲面和注塑件等[10]，二維圖無(wú)法直觀表現(xiàn)，而且很難達(dá)到要求的精度水平。20世紀(jì)80年代隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，基于特征設(shè)計(jì)的三維實(shí)體造型設(shè)計(jì)軟件應(yīng)運(yùn)而生，如：法國(guó)達(dá)索公司的CATIA、美國(guó)Siemens PLM Software公司的UG、PTC公司的Pro/Engineer和生信國(guó)際有限公司的Solid Works等。

三維設(shè)計(jì)軟件于21本世紀(jì)初[11]引入我國(guó)后，由于其可視化強(qiáng)，表達(dá)直觀、設(shè)計(jì)更方便，在我國(guó)得到了廣泛應(yīng)用。內(nèi)蒙古機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院的吳政[12]運(yùn)用Pro/E軟件對(duì)9R—40型秸稈揉碎機(jī)的關(guān)鍵部件進(jìn)行了建模設(shè)計(jì)；河北科技師范學(xué)院的陳芳[13]、現(xiàn)代農(nóng)裝北方農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司的楊德秋[14]運(yùn)用Solid Works軟件分別對(duì)土豆去皮機(jī)和新型2CM一4懸掛式馬鈴薯種植機(jī)進(jìn)行了三維建模設(shè)計(jì)。

三維設(shè)計(jì)軟件的產(chǎn)生，對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)來(lái)說(shuō)是另一次革命，它從根本上改變了機(jī)械設(shè)計(jì)的思路，使設(shè)計(jì)形式與人的思維方式相吻合，達(dá)到了快速、精確的設(shè)計(jì)目的。

2.2三維CAD的二次開(kāi)發(fā)三維軟件應(yīng)用的不斷深入促使企業(yè)對(duì)軟件專業(yè)化程度的要求也越來(lái)越高，為了滿足專業(yè)設(shè)計(jì)的需求，科研工作者對(duì)軟件進(jìn)行了大量的二次開(kāi)發(fā)工作。

通過(guò)二次開(kāi)發(fā)可以建立起專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的模型庫(kù)、特征庫(kù)等，應(yīng)用的時(shí)候可直接調(diào)用，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)步驟，縮短了設(shè)計(jì)周期，如福建省農(nóng)業(yè)機(jī)械鑒定推廣總站[17]創(chuàng)建了Pro/E的通用農(nóng)機(jī)產(chǎn)品模型庫(kù)；黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)[18]創(chuàng)建了針對(duì)農(nóng)機(jī)覆蓋件模具的UG三維系統(tǒng)；西北農(nóng)林科技大學(xué)[19]、重慶市農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程技術(shù)研究中心[20]分別創(chuàng)建了蝸輪蝸桿和微耕機(jī)的參數(shù)化實(shí)體Solid Works模型庫(kù)。

通過(guò)二次開(kāi)發(fā)，可以使軟件具備參數(shù)化建模的功能，即通過(guò)改變模型尺寸來(lái)更改結(jié)構(gòu)以適應(yīng)改變的環(huán)境或工作條件，從而大幅地減輕設(shè)計(jì)的工作量，提高設(shè)計(jì)效率。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)[15]實(shí)現(xiàn)了MDT對(duì)4ZL—3.0DE型聯(lián)合收割機(jī)脫粒裝置的參數(shù)化設(shè)計(jì)；西北農(nóng)林科技大學(xué)[16]實(shí)現(xiàn)了CATIA對(duì)深松鏟的參數(shù)化設(shè)計(jì)；通過(guò)參數(shù)化建模功能使軟件與設(shè)計(jì)出的參數(shù)化模型實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫集成，為 CAD/CAE/CAM系統(tǒng)的集成提供了先決條件。

3 CAD/CAE/CAM

3.1三維設(shè)計(jì)集成軟件三維設(shè)計(jì)軟件不但是性能優(yōu)良的CAD實(shí)體造型工具，同時(shí)還集成了CAD/CAE/CAM功能。在建模之后，可以對(duì)模型進(jìn)行模擬裝配、運(yùn)動(dòng)仿真，并通過(guò)一種近似數(shù)值分析的方法對(duì)其進(jìn)行力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)性能的分析和優(yōu)化，提高機(jī)械設(shè)計(jì)的實(shí)用價(jià)值。新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院[21]利用Solid Works，對(duì)秸稈粉碎還田機(jī)中的甩刀進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真、平衡檢驗(yàn)和有限元分析；東北農(nóng)業(yè)大學(xué)[22]利用CATIA對(duì)機(jī)架進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變分析。

通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，可以對(duì)機(jī)構(gòu)間的協(xié)調(diào)關(guān)系、干涉情況進(jìn)行檢驗(yàn)。新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院[23]利用Solid Works對(duì)殘膜回收撿拾滾筒行了運(yùn)動(dòng)仿真分析。黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)[24]、吉林大學(xué)[25]和浙江工業(yè)大學(xué)[26]運(yùn)用Pro /E軟件分別對(duì)開(kāi)溝器、精密播種單體和挖掘機(jī)工作裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析和動(dòng)態(tài)干涉檢查。甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)[27]和蘭州理工大學(xué)[28]通過(guò)UG分別對(duì)馬鈴薯分級(jí)裝置和發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了三維動(dòng)態(tài)仿真分析，證明了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

雖然三維軟件中具有CAE功能，但是對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械中的大型、復(fù)雜的部件還需要專業(yè)的有限元分析軟件。

3.2有限元分析軟件ANSYS自1956年，有限元技術(shù)在噴氣式飛機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)中的成功應(yīng)用后，有限元分析技術(shù)不斷發(fā)展[29]，產(chǎn)生了大量的相關(guān)軟件，如ANSYS、ADINA、ABAQUS等。美國(guó)ANSYS公司開(kāi)發(fā)的ANSYS應(yīng)用最為廣泛，它可與多數(shù)CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，同時(shí)具有較完整的分析模塊，可以對(duì)模型進(jìn)行應(yīng)力分析、熱力分析、模態(tài)分析、流體力學(xué)分析和可靠性分析等。

ANSYS利用邊界約束條件來(lái)求解相應(yīng)的物理對(duì)象，得到整個(gè)物理場(chǎng)在空間及時(shí)間上的分布，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的線性、非線性、靜力或動(dòng)力的分析。江蘇鹽城工學(xué)院[30]和河北農(nóng)業(yè)大學(xué)[31]，通過(guò)ANSYS分別得到了R175A- 8柴油機(jī)曲軸和蘋(píng)果起苗鏟的應(yīng)力、形變、安全系數(shù)等數(shù)據(jù)；西北農(nóng)林科技大學(xué)[32]通過(guò)ANSYS得出BWl80型減速器的擺線輪的形變圖和應(yīng)力分布圖。

在現(xiàn)實(shí)試驗(yàn)中檢測(cè)部件的溫度變化需要大量的試驗(yàn)設(shè)備和多次試驗(yàn)，不但麻煩而且誤差較大。在 ANSYS軟件中有專門(mén)用于計(jì)算一個(gè)系統(tǒng)或部件的溫度分布及其他各種熱物理參數(shù)的模塊，通過(guò)該模塊可以很方便地獲得結(jié)構(gòu)在熱載荷下的熱響應(yīng)情況。吉林大學(xué)[33]利用ANSYS對(duì)輪胎穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，得出試驗(yàn)中不易測(cè)得的輪胎溫度分布狀態(tài)。

農(nóng)業(yè)機(jī)械在田間行駛的過(guò)程中，路面環(huán)境惡劣經(jīng)常發(fā)生震動(dòng)，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中也產(chǎn)生相應(yīng)的震動(dòng)，農(nóng)機(jī)部件在震動(dòng)的過(guò)程中易發(fā)生共振，降低農(nóng)機(jī)的使用壽命。模態(tài)分析可以確定結(jié)構(gòu)和機(jī)器零部件的振動(dòng)特性[34]，仿真分析的過(guò)程中可以以模態(tài)仿真的結(jié)果為參考，進(jìn)而改進(jìn)農(nóng)機(jī)具的結(jié)構(gòu)以達(dá)到避免共振的目的。四川大學(xué)[35]和中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)[36]分別對(duì)機(jī)載電子控制設(shè)備減震系統(tǒng)和機(jī)架進(jìn)行了模態(tài)分析，避免了共振現(xiàn)象的發(fā)生。

流體力學(xué)主要研究流體現(xiàn)象及有關(guān)的力學(xué)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在農(nóng)業(yè)機(jī)械中也有應(yīng)用。遼寧石油化工大學(xué)[37]、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)[38]和華中農(nóng)業(yè)大學(xué)[39]分別對(duì)搖臂式噴頭、拋秧機(jī)導(dǎo)苗管和油菜精密排種器的內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了流體力學(xué)分析，得出難以通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)。

農(nóng)業(yè)機(jī)械要求具有很高的工作可靠性，然而我國(guó)只是重視農(nóng)機(jī)的保養(yǎng)，對(duì)通過(guò)分析軟件進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)的研究還相對(duì)較少。遼寧工業(yè)大學(xué)[40]、山東理工大學(xué)[41]、江蘇大學(xué)[42]通過(guò)ANSYS軟件分別對(duì)齒輪、螺旋彈簧、往復(fù)泵曲軸進(jìn)行了可靠性分析，并對(duì)使用壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

4虛擬樣機(jī)

由于農(nóng)業(yè)機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣，導(dǎo)致在設(shè)計(jì)的過(guò)程中存在許多問(wèn)題，需要進(jìn)行大量的田間試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的調(diào)整，因此延長(zhǎng)了研發(fā)周期。采用虛擬樣機(jī)的方法可以通過(guò)軟件對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，找到設(shè)計(jì)缺陷并加以改正，使一次性成功研發(fā)新產(chǎn)品成為了可能。

ADAMS是功能強(qiáng)大的虛擬仿真軟件，誕生于20世紀(jì)80年代，于20世紀(jì)末引入我國(guó)。隨著機(jī)械設(shè)計(jì)的不斷發(fā)展，ADAMS在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸廣泛，如：南華大學(xué)[43]和沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)[44]分別對(duì)壓捆機(jī)壓縮裝置和玉米精密排種器進(jìn)行了虛擬建模和虛擬仿真方面的研究；海南大學(xué)[45]和邢臺(tái)職業(yè)技術(shù)學(xué)院[46]通過(guò)ADAMS找到設(shè)備產(chǎn)生問(wèn)題的原因，提出優(yōu)化方案；寧夏大學(xué)[47]通過(guò)ADAMS軟件得出了實(shí)際試驗(yàn)中難以得到的參數(shù)變化曲線；江蘇云馬農(nóng)機(jī)制造有限公司[48]和沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)[49]，通過(guò)ADAMS對(duì)設(shè)備的工作性能和試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的可行性進(jìn)行了評(píng)價(jià)；昆明理工大學(xué)[50]通對(duì)ADAMS軟件計(jì)算出切割器割刀切割的最佳速度，為實(shí)際工作提供了參考。

5 存在的問(wèn)題與建議

我國(guó)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的發(fā)展相對(duì)較晚。自改革開(kāi)放以來(lái)，隨著我國(guó)現(xiàn)代化設(shè)計(jì)水平的提高， 計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)的應(yīng)用在許多行業(yè)和領(lǐng)域并取得了長(zhǎng)足進(jìn)展，但依然存在許多問(wèn)題。

（1）我國(guó)對(duì)CAD/CAE/CAM系統(tǒng)軟件的應(yīng)用不充分，大多數(shù)中小型企業(yè)還處于應(yīng)用初級(jí)階段。所以，要大力培養(yǎng)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)方面的專業(yè)人才。

（2）我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的修訂不及時(shí)，嚴(yán)重影響企業(yè)間的交流和數(shù)據(jù)交換。因此，我國(guó)農(nóng)機(jī)企業(yè)應(yīng)該緊跟時(shí)代脈搏，真正做到與國(guó)際接軌。

（3）缺乏具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專用CAD軟件，限制了產(chǎn)品研發(fā)的速度和效率，間接削弱了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。開(kāi)發(fā)出具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的農(nóng)業(yè)機(jī)械專業(yè)CAD/CAE/CAM軟件已變的刻不容緩。

（4）校企聯(lián)合較少，浪費(fèi)了生產(chǎn)資源和師資資源。

6發(fā)展趨勢(shì)

進(jìn)入2l世紀(jì)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用、科學(xué)技術(shù)的交互性發(fā)展，機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理論和方法也將隨之發(fā)生一些重大變革，向著參數(shù)化、集成化和智能化等方向發(fā)展。

（1）參數(shù)化。三維參數(shù)化建模技術(shù)可以建立通用化和標(biāo)準(zhǔn)化程度高的模型庫(kù)，將提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率，優(yōu)化設(shè)計(jì)性能，縮短設(shè)計(jì)周期。參數(shù)化建模的方法在我國(guó)已有所應(yīng)用，但由于技術(shù)的不成熟，應(yīng)用的范圍有所局限。今后隨著軟件的成熟和專業(yè)人才的培養(yǎng)，參數(shù)化建模技術(shù)必然會(huì)有更廣闊的應(yīng)用空間。

（2）集成化。加工方法的集成化既將人、技術(shù)和管理有機(jī)結(jié)合，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)、并行技術(shù)和管理技術(shù)。集成化能夠最大限度的實(shí)現(xiàn)企業(yè)信息的共享，提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)效率，更適合未來(lái)制造系統(tǒng)的需求。

（3）智能化。智能化主要是指知識(shí)工程的引入以及專家系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。在設(shè)計(jì)生產(chǎn)的過(guò)程中，不僅依靠設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，還可以參考專家系統(tǒng)的分析、邏輯推理及決策判斷的結(jié)果，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生命周期、生產(chǎn)過(guò)程各環(huán)節(jié)的智能化與生產(chǎn)設(shè)備的智能化。智能化提高了解決問(wèn)題的速度，顯著增加了設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，最大化解放工程技術(shù)人員。

（4） 網(wǎng)絡(luò)化。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和和硬件技術(shù)的逐步進(jìn)步，異地同步設(shè)計(jì)制造將會(huì)成為可能?？梢猿浞职l(fā)揮系統(tǒng)的總體優(yōu)勢(shì)、共享設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、交流設(shè)計(jì)思想，甚至對(duì)于全面的CAE分析過(guò)程都有可能得到專家的技術(shù)支持，極大地提高設(shè)計(jì)效率，真正實(shí)現(xiàn)集成化、資源共享以適應(yīng)全球化制造的發(fā)展趨勢(shì)。

（5）標(biāo)準(zhǔn)化。目前市場(chǎng)上CAD/CAM/CAE軟件種類繁多，其軟件間的兼容性和一致性是首要要解決的問(wèn)題。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)，建立起標(biāo)準(zhǔn)零件數(shù)據(jù)庫(kù)、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方法、典型模具結(jié)構(gòu)庫(kù)等，可以使軟件間內(nèi)部的交流、信息轉(zhuǎn)化等暢通方便。

7結(jié)語(yǔ)

隨著科學(xué)的不斷進(jìn)步，技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)械設(shè)計(jì)軟件將在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，將為縮小我國(guó)農(nóng)機(jī)行業(yè)與發(fā)達(dá)國(guó)家之間的差距，最終成為機(jī)械設(shè)計(jì)強(qiáng)國(guó)發(fā)揮重要的作用。

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