農業機械的 CAE 技術

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

CAE 是近幾年開始在農業機械領域應用的一種新技術。農業機械因其工作環境惡劣和作業對象繁多等特殊性給 CAE 技術提出了一些新的要求,應在實踐中不斷完善。為此,介紹了常用的 CAE 軟件,并結合實例闡述了農業機械的 CAE 功能和流程。

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

CAE(ComputerAidedEngineering)即計算機輔助工程,是用計算機輔助求解復雜工程和產品結構強度、剛度、屈曲穩定性、動力響應、熱傳導、三維多體接觸、彈塑性等力學性能的分析計算以及結構性能的優化設計等問題的一種近似數值分析方法。20世紀60年代初,CAE開始應用在工程上,現已成為工程或產品結構及力學分析(如航空航天、機械、土木結構等領域)的重要工具,也是計算機輔助4C系統(CAD/CAE/CAPP/CAM)的關鍵環節。

CAE的核心技術是有限元理論和數字計算方法。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,單元之間由節點連接;單元內部點的待求量由單元節點量通過選定的函數關系插值求得。根據平衡關系或能量關系建立節點量之間的方程式,總體代數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,其計算結果已成為各類工業產品設計和性能分析的可靠依據。

ANSYS軟件由美國ANSYS公司開發,它能與多數CAD軟件接口,實現數據的共享和交換;它是經典CAE工具,在現代產品設計中廣泛使用。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格劃分工具,以便用戶構造有限元模型;分析計算模塊包括結構分析、流體動力學分析、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的相互作用,具有靈敏度分析及優化分析能力;后處理模塊可將計算結果以彩色等值線等圖形方式顯示出來,也可將計算結果以圖表、曲線形式顯示或輸出。

ADINA軟件是美國ADINAR&D公司的產品,是基于有限元技術的大型通用分析仿真平臺。其應用范圍涉及各個工業領域、研究機構和教育機構;其非線性問題穩定求解、多物理場仿真等功能處于全球領導地位。

NASTRAN軟件由美國MSC公司研究開發,它作為虛擬產品開發過程的一部分,可以評估產品結構在給定材料、載荷、邊界條件時的響應(位移、應變、應力、振動、溫度)等多個方面的功能,如結構在給定材料、載荷、邊界條件時的響應(位移、應變、應力、振動、溫度)等。

3農業機械的CAE功能和流程

利用CAE軟件對農業機械問題進行分析計算,可以完成以下幾點功能:

(1)分析計算農機產品結構的應力、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,實現結構的從線性、靜力計算分析到非線性、動力的計算分析。

(2)對農機產品的結構、工藝參數、結構形狀參數進行優化設計,使產品結構性能、工藝過程達到最優。

(3)對農機產品結構的安全性、可靠性以及使用壽命做出評價與估計。

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

農業機械問題的CAE流程與其他工程領域的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)。農業機械的問題有其特殊性,如許多農機在泥土中行走,工作環境惡劣;農機作業對象往往是不同的農作物,其材料性能差別性較大等。如何在農機CAE中考慮這些特殊性或不確定性,給CAE技術提出了一些新的、更高的要求。

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圖1 農機問題的CAE流程

筆者參與了國家自然科學基金項目“水稻塑盤缽苗氣力有序拋載機理及技術研究”,利用CAE技術對拋秧氣流場進行了分析計算,并結合試驗得出了在不同作業速度時,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是經過CAE分析后得出的缽體苗吹出時某一時刻的運動姿態。

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