农业机械的 CAE 技术

2013-06-22 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线

CAE 是近几年开始在农业机械领域应用的一种新技术。农业机械因其工作环境恶劣和作业对象繁多等特殊性给 CAE 技术提出了一些新的要求,应在实践中不断完善。为此,介绍了常用的 CAE 软件,并结合实例阐述了农业机械的 CAE 功能和流程。

对于农业机械中存在的许多问题,往往采用传统的方法进行试验研究,但常常受到试验周期和经费等条件的限制。随着科技的发展,计算机辅助技术在农业机械中的应用越来越多,CAE就是近几年开始在农机中得到应用的一种新技术。

CAE(ComputerAidedEngineering)即计算机辅助工程,是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。20世纪60年代初,CAE开始应用在工程上,现已成为工程或产品结构及力学分析(如航空航天、机械、土木结构等领域)的重要工具,也是计算机辅助4C系统(CAD/CAE/CAPP/CAM)的关键环节。

CAE的核心技术是有限元理论和数字计算方法。有限元理论的基本思想是将问题的求解域划分为一系列单元,单元之间由节点连接;单元内部点的待求量由单元节点量通过选定的函数关系插值求得。根据平衡关系或能量关系建立节点量之间的方程式,总体代数方程组由各单元方程组成,计入边界条件对方程组求解。

2常用CAE软件

目前,国际上较大型的、面向工程的CAE软件有几百种,其中著名的有:ANSYS、ADINA、NASTRAN等。这些软件多采用FORTRAN语言编写,功能也日趋完善,其计算结果已成为各类工业产品设计和性能分析的可靠依据。

ANSYS软件由美国ANSYS公司开发,它能与多数CAD软件接口,实现数据的共享和交换;它是经典CAE工具,在现代产品设计中广泛使用。该软件主要包括前、后处理模块和分析计算模块3部分。前处理模块提供实体建模及网格划分工具,以便用户构造有限元模型;分析计算模块包括结构分析、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析,可模拟多种物理介质的相互作用,具有灵敏度分析及优化分析能力;后处理模块可将计算结果以彩色等值线等图形方式显示出来,也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。

ADINA软件是美国ADINAR&D公司的产品,是基于有限元技术的大型通用分析仿真平台。其应用范围涉及各个工业领域、研究机构和教育机构;其非线性问题稳定求解、多物理场仿真等功能处于全球领导地位。

NASTRAN软件由美国MSC公司研究开发,它作为虚拟产品开发过程的一部分,可以评估产品结构在给定材料、载荷、边界条件时的响应(位移、应变、应力、振动、温度)等多个方面的功能,如结构在给定材料、载荷、边界条件时的响应(位移、应变、应力、振动、温度)等。

3农业机械的CAE功能和流程

利用CAE软件对农业机械问题进行分析计算,可以完成以下几点功能:

(1)分析计算农机产品结构的应力、变形等物理场量,给出整个物理场量在空间与时间上的分布,实现结构的从线性、静力计算分析到非线性、动力的计算分析。

(2)对农机产品的结构、工艺参数、结构形状参数进行优化设计,使产品结构性能、工艺过程达到最优。

(3)对农机产品结构的安全性、可靠性以及使用寿命做出评价与估计。

(4)对由CAD实体造型设计出的农机机构、整机进行运动/动力学仿真,给出机构、整机的运动轨迹、速度、加速度以及动反力的大小等。

农业机械问题的CAE流程与其他工程领域的CAE流程基本一致,可用图1表示。其中,有限元模型的建立可以借助一些功能强大的CAD软件(如proe、MDT、SolidWorks、UG等)。农业机械的问题有其特殊性,如许多农机在泥土中行走,工作环境恶劣;农机作业对象往往是不同的农作物,其材料性能差别性较大等。如何在农机CAE中考虑这些特殊性或不确定性,给CAE技术提出了一些新的、更高的要求。

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图1 农机问题的CAE流程

笔者参与了国家自然科学基金项目“水稻塑盘钵苗气力有序抛载机理及技术研究”,利用CAE技术对抛秧气流场进行了分析计算,并结合试验得出了在不同作业速度时,抛秧效果较好的气流场。另外,还利用CAE对钵体苗在喷射气流作用下的吹出及与导苗管的碰撞过程进行了分析,图2是所建立的钵体苗吹出时的有限元模型;图3是经过CAE分析后得出的钵体苗吹出时某一时刻的运动姿态。

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