現代設計方法在鋪膜機設計中的應用

張 明 王磊元 秦翠蘭 趙群喜*

(1.阿克蘇地區農業技術推廣中心，新疆 阿克蘇 843000；2.新疆理工學院機電工程學院，新疆 阿克蘇 843100)

1 現代設計方法概述

現代設計方法是傳統經驗設計方法的延伸和發展，是通過現代的設計理念、現代的理論基礎和現代的手段工具開展設計的一種有效方法。農業機械設計是現代產品設計的一個重要領域，它既包括比較簡單的日常工具和零件設計，也包括復雜的機器和裝備設計。相對于傳統設計，現代設計方法主要體現在設計的模型表征、程序規程及分析計算等方面，設計產品主要體現在高效的機械質量和使用效率兩大優勢基于現代理念、理論和工具的發展，現代設計方法將以往靜態的、個體化的、單一性的和基于經驗的設計方式，逐步轉變為預測的、動態的、協同化的、多方位的和基于科學的設計方式。因此現代設計方法在力學等科學理論、應用數學等基礎方法、計算機和軟件技術等實用工具發展的基礎上不斷產生和走向工程應用，并且隨著信息化、網絡化、智能化和各種硬件技術的發展向更高水平邁進。

2 現代設計方法在鋪膜機上的應用

2.1 計算機輔助設計的應用

計算機輔助設計是指用計算機輔助對產品進行各種性能的分析和模擬，包括產品強度、動力響應、溫度場、流場等結構分析，以及計算機輔助機構動力學、運動學分析和虛擬樣機模擬等。侯斌等人研究表明，通過計算機輔助設計可以及時分析機械設計過程中的數據，并對設計的關鍵環節、重要參數、系統功能等進行優化，使機械在工作工程中發揮更精準的作用。河北農業大學的李巖等人通過Auto CAD、DirectX、XML等計算機技術，設計了一種具有人機交互功能的農業機械軟件，整個設計過程與人的思維高度契合，這一設計的出現可以大大縮短新產品的研發時間。通過大量實踐證明，將有限元分析及仿真分析等計算機輔助設計的理論和方法應用到農業機械研究中，是一種切實可行的方法。

2.2 優化設計的應用

優化設計是通過計算機編程實現優化過程，根據設計意圖建立優化設計的目標函數、設計變量和設計約束條件，利用該方法，借助計算機的運算能力，能夠在復雜產品設計的眾多方案乃至無數方案中尋找出最優方案。

2.3 有限元設計的應用

有限元設計方法是目前用于復雜結構分析最常用和最普適有效的方法。該方法將連續求解區域離散為有限個單元的組合體，用每個單元內設定的近似函數來表示該分區的未知場函數，并將各個單元的表達方程聯立起來，使一個連續的無限自由度問題變成離散的有限自由度問題。

2.4 其它方法的應用

可靠性設計作為現代設計方法之一，是保證產品及零部件滿足給定可靠性指標的設計方法，其設計理念是在預測和預防產品所有可能發生的故障的基礎上，使所設計的農業機械作業時達到規定的可靠目標值。趙蓉等通過可靠性設計分析了參數對機械零部件可靠性的影響，通過機械零部件可靠性設計不僅可以避免傳統設計的保守性，還可以降低零部件的失效率。另外，很多科研人員為了節約農業機械的成本，通過故障模式找到制約機具可靠性的問題，并對其進行改進設計，以提高農業機械的可靠性水平。

綜上所述，計算機輔助設計、優化設計、有限元設計等現代設計方法和手段已經被廣泛應用到鋪膜機設計應用中，并取得了一些成果。但從研究結果看，現代設計方法在鋪膜機設計應用方面的水平和層次還不夠高，不能與現代設計方法、設計理念及手段工具并行協同。另外，由于鋪膜機與其它農業機械相同，其設計及制造過程有自身的特點，而且鋪膜機的種類很多，不同作物鋪膜機設計過程差別較大，因此如創新設計、機電一體化設計等一系列現代設計方法在鋪膜機設計中還沒有應用。而國外鋪膜農機行業機電一體化程度已經具有一定的理論和實踐水平，從產品設計到產品性能的測試、驗證、通過全部流程化，規范化，國內卻幾乎沒有人專門做這一方面的研究。

3 應用前景

(1)農業機械的運用是衡量農業機械化程度的重要指標，針對于鋪膜機的應用，不僅要考慮農機的適應性、可靠性，還要兼顧農機的成本、工作效率以及覆膜保溫保墑等問題。而目前有部分農機設計者在指導農業機械化生產，制定農機化發展目標時，盲目追求某項作業的高指標等問題，違背了現代設計方法中的綠色設計理念。針對這一問題許多學者嘗試利用計算機軟件進行二次開發，設計集數據采集和處理于機電一體的農機結構檢測與數據處理系統。實踐證明通過運用計算機輔助設計，使得農機作業的數據記錄和處理穩定、操作方便、易于擴展，應用前景廣泛。

(2)近年來，隨著各種新型鋪膜農機不斷出現，對機架質量、效率、資源和環境要求的不斷提高。許多專家學者通過運用優化設計的數學建模方法，準確地選擇了機具的磨具參數，并建立了更加合理的數學模型，設計的機具獲得了良好的農業種植效果和經濟效益。

(3)隨著計算機技術的迅速發展，有限元分析在農業機械分析和設計設計中得到了廣泛的應用，已經成為解決復雜的工程分析計算問題的有效途徑。有限元分析方法由于可以選用不同的單元組合方式和不同的單元形狀，故能將復雜的產品模型分割為每個單元幾何形狀都很簡單的網格模型?；谠趩卧獌鹊囊幏痘磉_，以及考慮邊界條件后進行方程組的規范化求解，整個過程易于采用計算機編程實現，能夠達到對各種結構的通用。將有限元法設計用在鋪膜農機設計中，使理論設計代替了經驗類比設計。這種設計方法靈活性比較大，具有非常好的發展前景。

4 結語

在鋪膜機的設計過程中充分利用現代設計方法，不僅可以對初始設計方案的機具強度和剛度進行校核，也可以根據計算結果分析構件的強度和剛度是否滿足機具工作要求，對結構件的設計提出改進意見，從而指導設計工作。另外，優化設計、有限元設計和可靠性設計是目前鋪膜機設計中常用的3種設計方法，這3種方法不僅能夠提高機械的工作效率，同時從資源環境的角度出發，也兼顧了保護環境、節約資源的生態理念，為鋪膜機的可持續發展提供了有利保障，也為農業機械的發展奠定了基礎。同時，在傳統的農業機械方法中采用現代設計方法理念，并用計算機技術和數學規劃的方法進行優化和仿真，為提高農業競爭力和以后新技術的改造提供了重要手段。