有限元分析技术在农业机械设计中的应用研究

第50卷第5期农业工程与装备2023年10月V ol.50No.5 AGRICULTURAL ENGINEERING AND EQUIPMENT Oct. 2023
梁林
(天津福云天翼科技有限公司，天津300499)
摘要：农业机械优化的目的是提升机具整体性能，使其满足可靠性、适应性、经济性等作业需求。

以常见的农业机械为例，在设计过程中应用有限元分析技术进行力学分析和模拟，可解决以往机具性能优化时费时费力、难以全面评估等问题，为农业机械的设计和优化提供规范化、标准化、智能化依据，显著提升设计效率、降低研发成本。

关键词：有限元分析技术应用；农业机械设计；应力分析
中图分类号：S22文献标志码：A文章编号：2096–8736(2023)05–0056–02
Application of finite element analysis technology
in agricultural machinery design
LIANG Lin
(Tianjin Fuyun Tianyi Technology Co., Ltd., Tianjin 300499, China)
Abstract: The purpose of optimizing agricultural machinery is to improve the overall performance of the machinery, so that it meets operational requirements such as reliability, adaptability, and economy. Taking common types of agricultural machinery as an example, applying finite element analysis technology for mechanical analysis and simulation in the design process can solve problems such as time-consuming, laborious, and difficult to comprehensively evaluate the performance optimization of previous machinery, providing standardized, intelligent optimization basis for agricultural machinery design, significantly improving design efficiency, and reducing research and development costs.
Keywords: Application of finite element analysis technology; Agricultural machinery design; Stress analysis
传统的农业机械设计方法耗时耗力， 且难以全面评估设计方案的优劣。

将有限元分析技术融入到农业机械的设计过程中，可提供规范化、标准化、智能化依据，大幅提高设计效率，降低研发成本[1]。

农业机械作业环境复杂，需适应土壤、地形、气候等多种作业环境。

进行设计和优化时需在保证机具稳定性、轻量化的前提下，注重其整体性能的提升，把握好以下要点。

一是在性能与成本之间找到平衡，在材料和制造工艺选择时需要经过多方评估和科学验证，以实现机械性能与制造成本之间的平衡；二是注重机具
作者简介：梁林(1983—)，男，内蒙古呼和浩特人，硕士研究生，主要研究方向为农业机械设计。

适应性的提升，以满足不同地区的农业生产需求；三是提高机具作业的安全性，以降低作业过程中操作人员的安全风险，减少对环境的负面影响[2]。

2.1技术原理
有限元分析（Finite Element Analysis）是利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟，核心在于将无限自由度的连续系统转化为有限自由度的离散系统，从而使复杂的工程问题可以通过计算机辅助软件得以解决。

应用有限元分析技术可将连续的物理结构划分为有限的、形状简单的单元，并利用软件组合成复杂的几何图形或三维模型，并在此基础上进行力学分析和模拟。

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每个单元内部的物理性质可以通过数学方程来描述，整个图形或者模型结构的物理性质则是通过求解所有单元方程的组合来实现。

2.2应用步骤
应用有限元分析技术进行农业机械设计包括：建立几何模型、定义材料属性、施加边界条件和载荷、划分网格、选择适当的求解器计算、结果分析等步骤。

在设计过程中，设计人员应注意以下3点：一是需要根据农业机械实际的作业环境和使用情况来确定模拟的边界条件和加载情况；二是注意网格划分的细致程度，以提高计算结果的准确性；三是应根据分析的类型以及单元的复杂程度来选择求解器类型[3]。

3.1耕作机械设计中的应用
目前，有限元分析技术被广泛应用于耕作机械关键部件的结构设计。

设计人员通过模拟土壤与机械部件的相互作用力，以预测部件在不同土壤条件下作业时的应力分布情况和形变情况，及时识别潜在的结构弱点，进行针对性优化。

例如，可通过有限元分析技术优化犁铧的曲面形状，在降低作业阻力的前提下，使其保持足够的强度和刚度。

3.2播种机械设计中的应用
设计人员应用有限元分析技术可模拟播种机械种盘、输种管等部件的动态响时间和使用寿命，通过分析部件的受力和运动状态，对种盘与输种管的形状与材料进行优化，以提高播种的均匀性和效率，并确保其在长时间的作业过程中保持良好的性能，减少因结构疲劳而引发故障的概率[4]。

3.3收割机械设计中的应用
设计人员应用有限元分析技术可建立收割机械三维模型，精确模拟刀片、输送装置等部件在作业过程中的应力分布情况与形变情况，从而判断机具是否满足强度和耐久性的要求，以便于采取相应的措施来提高其抗磨损能力，降低维护成本。

3.4农产品加工与包装机械设计中的应用
设计人员应有限元分析技术可了解农产品加工与包装机械封口过程中部件的热应力分布情况，模拟机具作业过程中的物料流动、混合等复杂工况，通过分析物料在机械中的运动轨迹和受力情况，选择科学的设计方案，以提高机具的作业效率和作业质量[5]。

有限元分析技术在农业机械设计中有以下应用优势。

一是可以精确模拟农业机械在作业中各部件的受力分布与形变情况，有助于设计人员更为准确地进行应力、形变、模态分析，发现潜在的设计缺陷，为部件结构后续优化提供数据支持；二是在新产品开发阶段，设计人员可模拟不同的作业条件和环境因素，预测农业机械的作业状态，以便在量产前发现潜在的问题[6]；三是可对农业机械的关键部件进行疲劳分析，预测其在重复载荷作用下可能出现裂纹和断裂的位置，及时采取预防措施，以提升机具作业可靠性。

参考文献
[1]潘彦江.农业机械设计中有限元分析软件的应用研究
[J].南方农机,2022,53(3):54-56.
[2]王君.农业机械设计中有限元分析软件的应用研究[J].
南方农机,2021,52(18):67-69.
[3]王秋鹏.有限元分析技术在冶金机械设计中的应用[J].
中国锰业,2016,34(4):140-142.
[4]王蔚.有限元技术在机械设计中的应用分析[J].科技创
新与应用,2016(7):143.
[5]杜建强,吴雅梅.有限元分析在农业机械设计中的应用
[C]//2012中国农业机械学会国际学术年会论文集.杭
州,2012: 717-721.
[6]李盛前.有限元分析在农业机械设计中的应用[C]//中国
农业工程学会2011年学术年会论文集.重庆,2011:682- 684.
责任编辑：张亦弛
英文编辑：唐琦军。