農(nóng)業(yè)機(jī)械的 CAE 技術(shù)

2013-06-22 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

CAE 是近幾年開始在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域應(yīng)用的一種新技術(shù)。農(nóng)業(yè)機(jī)械因其工作環(huán)境惡劣和作業(yè)對(duì)象繁多等特殊性給 CAE 技術(shù)提出了一些新的要求,應(yīng)在實(shí)踐中不斷完善。為此,介紹了常用的 CAE 軟件,并結(jié)合實(shí)例闡述了農(nóng)業(yè)機(jī)械的 CAE 功能和流程。

對(duì)于農(nóng)業(yè)機(jī)械中存在的許多問題,往往采用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行試驗(yàn)研究,但常常受到試驗(yàn)周期和經(jīng)費(fèi)等條件的限制。隨著科技的發(fā)展,計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用越來越多,CAE就是近幾年開始在農(nóng)機(jī)中得到應(yīng)用的一種新技術(shù)。

CAE(ComputerAidedEngineering)即計(jì)算機(jī)輔助工程,是用計(jì)算機(jī)輔助求解復(fù)雜工程和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、屈曲穩(wěn)定性、動(dòng)力響應(yīng)、熱傳導(dǎo)、三維多體接觸、彈塑性等力學(xué)性能的分析計(jì)算以及結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)等問題的一種近似數(shù)值分析方法。20世紀(jì)60年代初,CAE開始應(yīng)用在工程上,現(xiàn)已成為工程或產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及力學(xué)分析(如航空航天、機(jī)械、土木結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域)的重要工具,也是計(jì)算機(jī)輔助4C系統(tǒng)(CAD/CAE/CAPP/CAM)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

CAE的核心技術(shù)是有限元理論和數(shù)字計(jì)算方法。有限元理論的基本思想是將問題的求解域劃分為一系列單元,單元之間由節(jié)點(diǎn)連接;單元內(nèi)部點(diǎn)的待求量由單元節(jié)點(diǎn)量通過選定的函數(shù)關(guān)系插值求得。根據(jù)平衡關(guān)系或能量關(guān)系建立節(jié)點(diǎn)量之間的方程式,總體代數(shù)方程組由各單元方程組成,計(jì)入邊界條件對(duì)方程組求解。

2常用CAE軟件

目前,國際上較大型的、面向工程的CAE軟件有幾百種,其中著名的有:ANSYS、ADINA、NASTRAN等。這些軟件多采用FORTRAN語言編寫,功能也日趨完善,其計(jì)算結(jié)果已成為各類工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和性能分析的可靠依據(jù)。

ANSYS軟件由美國ANSYS公司開發(fā),它能與多數(shù)CAD軟件接口,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換;它是經(jīng)典CAE工具,在現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中廣泛使用。該軟件主要包括前、后處理模塊和分析計(jì)算模塊3部分。前處理模塊提供實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具,以便用戶構(gòu)造有限元模型;分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的耦合分析,可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用,具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力;后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線等圖形方式顯示出來,也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。

ADINA軟件是美國ADINAR&D公司的產(chǎn)品,是基于有限元技術(shù)的大型通用分析仿真平臺(tái)。其應(yīng)用范圍涉及各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域、研究機(jī)構(gòu)和教育機(jī)構(gòu);其非線性問題穩(wěn)定求解、多物理場(chǎng)仿真等功能處于全球領(lǐng)導(dǎo)地位。

NASTRAN軟件由美國MSC公司研究開發(fā),它作為虛擬產(chǎn)品開發(fā)過程的一部分,可以評(píng)估產(chǎn)品結(jié)構(gòu)在給定材料、載荷、邊界條件時(shí)的響應(yīng)(位移、應(yīng)變、應(yīng)力、振動(dòng)、溫度)等多個(gè)方面的功能,如結(jié)構(gòu)在給定材料、載荷、邊界條件時(shí)的響應(yīng)(位移、應(yīng)變、應(yīng)力、振動(dòng)、溫度)等。

3農(nóng)業(yè)機(jī)械的CAE功能和流程

利用CAE軟件對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械問題進(jìn)行分析計(jì)算,可以完成以下幾點(diǎn)功能:

(1)分析計(jì)算農(nóng)機(jī)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形等物理場(chǎng)量,給出整個(gè)物理場(chǎng)量在空間與時(shí)間上的分布,實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的從線性、靜力計(jì)算分析到非線性、動(dòng)力的計(jì)算分析。

(2)對(duì)農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)、結(jié)構(gòu)形狀參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能、工藝過程達(dá)到最優(yōu)。

(3)對(duì)農(nóng)機(jī)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性以及使用壽命做出評(píng)價(jià)與估計(jì)。

(4)對(duì)由CAD實(shí)體造型設(shè)計(jì)出的農(nóng)機(jī)機(jī)構(gòu)、整機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)/動(dòng)力學(xué)仿真,給出機(jī)構(gòu)、整機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡、速度、加速度以及動(dòng)反力的大小等。

農(nóng)業(yè)機(jī)械問題的CAE流程與其他工程領(lǐng)域的CAE流程基本一致,可用圖1表示。其中,有限元模型的建立可以借助一些功能強(qiáng)大的CAD軟件(如proe、MDT、SolidWorks、UG等)。農(nóng)業(yè)機(jī)械的問題有其特殊性,如許多農(nóng)機(jī)在泥土中行走,工作環(huán)境惡劣;農(nóng)機(jī)作業(yè)對(duì)象往往是不同的農(nóng)作物,其材料性能差別性較大等。如何在農(nóng)機(jī)CAE中考慮這些特殊性或不確定性,給CAE技術(shù)提出了一些新的、更高的要求。

農(nóng)業(yè)機(jī)械的 CAE 技術(shù)+培訓(xùn)案例相關(guān)圖片圖片1

圖1 農(nóng)機(jī)問題的CAE流程

筆者參與了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“水稻塑盤缽苗氣力有序拋載機(jī)理及技術(shù)研究”,利用CAE技術(shù)對(duì)拋秧氣流場(chǎng)進(jìn)行了分析計(jì)算,并結(jié)合試驗(yàn)得出了在不同作業(yè)速度時(shí),拋秧效果較好的氣流場(chǎng)。另外,還利用CAE對(duì)缽體苗在噴射氣流作用下的吹出及與導(dǎo)苗管的碰撞過程進(jìn)行了分析,圖2是所建立的缽體苗吹出時(shí)的有限元模型;圖3是經(jīng)過CAE分析后得出的缽體苗吹出時(shí)某一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。

農(nóng)業(yè)機(jī)械的 CAE 技術(shù)+培訓(xùn)資料圖片2

圖3 缽體苗吹出時(shí)有限元模型

農(nóng)業(yè)機(jī)械的 CAE 技術(shù)+培訓(xùn)資料圖片3

圖3 缽體苗吹出時(shí)某一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)

4結(jié)論

CAE(計(jì)算機(jī)輔助工程)在航空、航天、機(jī)械和土木結(jié)構(gòu)等工程領(lǐng)域已得到比較廣泛的應(yīng)用,但近幾年才開始應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械。CAE可以優(yōu)化農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì),模擬農(nóng)業(yè)機(jī)械的作業(yè)過程,獲得在試驗(yàn)中難以得到的數(shù)據(jù)等。

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