现代设计方法综述及在农业机械领域的应用

现代设计方法综述及在农业机械领域的应用

随着科技的发展，许多新的成果被引人优化设计，特别是信息化技术的发展推动了设计方法的革命，开发了系列软件，其中包括：CAD、AN SYS、AD AM S、VB、VC等，这些软件各有特色，在应用上相互交叉。其中CAD软件是应用最广，对产业发展影响最大的软件，完全代替了传统的设计方法，使设计更加快捷方便，且具有记忆功能，使传输、保存、调用更加方便。ADAMS软件不但具备虚拟制造、试验和测试功能，而且通过二次开发还可以优化参数，VB和VC软件具有较强的可视性，适合机构的运动学和动力学目标的优化。优化是现代设计的核心技术。现代设计思想和方法大大推动了制造业的发展；反过来，每个设计者必须掌握现代设计方法，并熟练使用各种软件工具。

在国际上，航空、航天、汽车、军工制造业等率先使用现代设计的新技术，农机制造业相对滞后，一般来说在上个世纪相差3—5年，到本世纪时差缩短到l 一3年。在上世纪80年代后期，中国开始引入CAD技术。到本世纪已经推广到高校、研究院所和企业，随着应用和推广，CAD技术不断完善和拓宽，功能更加强大，现在任何机械设计单位如果在设计中不使用CAD软件几乎不可思议。其他软件也有了不同程度的应用，中国技术力量的构架决定现代设计方法和软件工具首先被研究型高等院校应用，之后是普通院校和大型研究所，最后逐渐转入生产企业。但是现代设计的核心——系统的优化设计技术在国内应用较少，仅仅局限在个别的学科领域，这是因为系统优化首先要建立理论模型、采用适宜的优化方法、设计相关的优化软件的基础上，是一个难度很大的系统工程。例如，应用较为普遍的航空、导弹理论研究面对的介质是空气，其物理性质相对变化较小；而农业机械所处理各种物料，其物理性质差异很大，理论研究和优化方法有其特

殊性，不能照搬其他理论和方法。现代设计方法的应用如果包括了系统优化则必须建立设计平台。本文在介绍现代设计方法的同时也将介绍课题组在建设平台方面所做的探索性工作。

1 平台的内容

1．1创新方法的建立

农业机械的创新有特殊性也有其普遍性。农业机械的创新首先是机构的创新，新的机构能够完成传统机构所不能完成的技术要求。机构创新由两部分组成：发现机构创新元素和找到实现创新元素的实施方案。两者都非常重要，但是对不同的项目，相对难度有所不同：有的发现创新元素难度大，有的寻求实施方案难度更大。

1．2理论研究成果

理论研究是设计优化、虚拟试验和测试软件的基础。理论创新的主要目的是参数优化，优化是设计的核心。理论研究从理论分析开始，通过理论演绎或实验回归建立数学模型和目标函数，设计软件。理论研究的成果包括专著、文章以及历届研究生论文，是现代设计平台的重要内容。

1．3优化设计软件

市场上出售的各种软件是设计者的工具，其功能越来越强，应用面越来越广，农机研究者必须掌握。掌握软件的使用方法主要不是依靠课堂教学，而是依靠工程实践和实践过程中的指导。一般来说，老师应该有研究课题，学生( 本科和研究生) 在完成研究的工作中，通过高年级学生指导低年级学生，将软件的使用方法传承下来。尽管市场软件具有强大的功能，可以完成虚拟制造、试验和测试工作，但是没有二次开发就不能进行设计的核心工作——参数优化。没有精准的参

数优化，后面的虚拟制造、试验和测试工作就没有意义，这些工作的目的是验证参数优化的精准程度。农业机械的多参数、强耦合性、模糊性、非线性复杂多目标优化是一项难度很大的工作，传统的优化方法难以完成。笔者提出了“复优化”和“参数导引”优化方法，在以上方法指导下，设计了“傻瓜”化和全自动软件，成功的解决了以上复杂的优化问题，转让总金额达70万元。要求研究生对自己所研究的核心工作部件用以上优化方法建立系统的优化软件，软件同时具有虚拟制造、试验和测试的功能，也希望通过办培训班使师生掌握设计软件的方法。1．4试验台架

完成了以上优化和虚拟试验工作，下一步是试验台架和核心工作部件的研制，在台架上做核心工作部件的性能和可靠性试验，在完成以上工作程序后，进行整机设计和田问试验。目前，课题组在已完成省级重点项目“农业机械产品数字化设计与制造平台的开发与应用”的基础上，将探索各种核心部件优化后的计算机自动生成设计图纸的工作。

1．5队伍建设

平台建设的关键是培养一支熟练掌握现代设计方法和工具的队伍。首先，队伍的核心成员具有深厚的理论基础，包括数学、工程力学、机械原理等。基础及专业基础知识，特别是具备利用所学的基础知识解决实际问题的能力，例如利用数学知识解决工程力学问题，利用数学、工程力学知识解决机械原理问题，以及利用以上基础知识解决农业机械理论问题。这方面能力依靠在科研过程中逐渐培养，国家自然科学基金完成过程是培养这方面能力的最好平台。

2建立平台的意义

2．1农业机械的研究难度

季节性强：农业机械成功需要田间试验验证，但是每年田间试验的时间短，一旦机器出现问题，就可能错过了试验季节，只好等待下一年的试验，所以一般农业机械的研究周期较长。

环境恶劣：表现在两个方面：农机作业环境变化大，作业条件差；农业机械处理的物料包括土壤、茎秆、果实、幼苗、种子等，物理性能差异很大。

造价低廉：农业产品价格低决定了机器造价须同样价格低廉。

适应宽泛：中国农业生产区域气候环境差异大，同样作物生产方式各不相同，好的农业机械应该具有宽泛的适应性。

竞争激烈：近年来外资企业纷纷在中国建厂，它们具有雄厚的技术和资金实力，国内产品的竞争力主要在于适应中国的农艺要求和高性价比，与国外产品竞争的关键是研发周期的长短，缩短研发周期的主要手段是掌握现代设计方法和建立研发平台。

2．2现代设计方法的优点

现代设计方法的核心是参数优化、虚拟制造、试验和测试，它的优点表现在以下三方面：

缩短周期：农业机械的研究和设计工作主要在室内通过计算机和台架试验完成，解决了农机研究的季节性问题。从课题组的研究成果看，所转让的14台样机田间性能试验均一次性成功，这样就大大缩短了研发周期。

降低成本：研制样机资金投人最大，由于样机成功率高，大大降低了研究成本。

精准度高：采用了先进的优化方法，优化精度高，所设计研制的机器眭能更接近目标的理想值。