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

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

CAE(ComputerAidedEngineering)即計算機輔助工程,是用計算機輔助求解復(fù)雜工程和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強度、剛度、屈曲穩(wěn)定性、動力響應(yīng)、熱傳導(dǎo)、三維多體接觸、彈塑性等力學(xué)性能的分析計算以及結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化設(shè)計等問題的一種近似數(shù)值分析方法。20世紀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、機械、土木結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域)的重要工具,也是計算機輔助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)點連接;單元內(nèi)部點的待求量由單元節(jié)點量通過選定的函數(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)點量之間的方程式,總體代數(shù)方程組由各單元方程組成,計入邊界條件對方程組求解。

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,其計算結(jié)果已成為各類工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計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)計中廣泛使用。該軟件主要包括前、后處理模塊和分析計算模塊3部分。前處理模塊提供實體建模及網(wǎng)格劃分工具,以便用戶構(gòu)造有限元模型;分析計算模塊包括結(jié)構(gòu)分析、流體動力學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析,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;后處理模塊可將計算結(jié)果以彩色等值線等圖形方式顯示出來,也可將計算結(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。其應(yīng)用范圍涉及各個工業(yè)領(lǐng)域、研究機構(gòu)和教育機構(gòu);其非線性問題穩(wěn)定求解、多物理場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,可以評估產(chǎn)品結(jié)構(gòu)在給定材料、載荷、邊界條件時的響應(yīng)(位移、應(yīng)變、應(yīng)力、振動、溫度)等多個方面的功能,如結(jié)構(gòu)在給定材料、載荷、邊界條件時的響應(yīng)(位移、應(yīng)變、應(yīng)力、振動、溫度)等。

3農(nóng)業(yè)機械的CAE功能和流程

利用CAE軟件對農(nóng)業(yè)機械問題進行分析計算,可以完成以下幾點功能:

(1)分析計算農(nóng)機產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形等物理場量,給出整個物理場量在空間與時間上的分布,實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的從線性、靜力計算分析到非線性、動力的計算分析。

(2)對農(nóng)機產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)、結(jié)構(gòu)形狀參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計,使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能、工藝過程達到最優(yōu)。

(3)對農(nóng)機產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性以及使用壽命做出評價與估計。

(4)對由CAD實體造型設(shè)計出的農(nóng)機機構(gòu)、整機進行運動/動力學(xué)仿真,給出機構(gòu)、整機的運動軌跡、速度、加速度以及動反力的大小等。

農(nóng)業(yè)機械問題的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大的CAD軟件(如proe、MDT、SolidWorks、UG等)。農(nóng)業(yè)機械的問題有其特殊性,如許多農(nóng)機在泥土中行走,工作環(huán)境惡劣;農(nóng)機作業(yè)對象往往是不同的農(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)機械的 CAE 技術(shù)+培訓(xùn)案例相關(guān)圖片圖片1

圖1 農(nóng)機問題的CAE流程

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

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

圖3 缽體苗吹出時有限元模型

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

圖3 缽體苗吹出時某一時刻的運動姿態(tài)

4結(jié)論

CAE(計算機輔助工程)在航空、航天、機械和土木結(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)機械。CAE可以優(yōu)化農(nóng)機設(shè)計,模擬農(nóng)業(yè)機械的作業(yè)過程,獲得在試驗中難以得到的數(shù)據(jù)等。

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