CAE技术的发展与在农业机械设计中的应用
第 l5卷第 12期
2008年 12月
现 代 农 业 科 学
Modern Agricultural Sciences
V01．15 No．12
Dec．2oo8
CAE技术的发展与在农业机械设计中的应用
黄 巍
(四川大学制造学院，四川成都 610065)
摘 要：阐明计算机辅助工程分析技术的相 关内容 ，发展概况和趋势。介 绍 了CAE技术在农业生
产中的应用情 况。根据有限单元法的原理和 方法，例举其中的有限元技术在 4DL谷物联合 收割机 电子
控制设备减震 系统设计的实例 ，写出具体分析和求解过程 。
关键词 ：计算机辅助工程 ；农业机械 ；有 限元 ；减震 器
中图分类号：$23 文献标识码：A 文章编号：1005—4650(2O08)12—0106—02
CAE Technology in Agricultural M achinery Design
HUANG W ei
(Manufacturing Institute of Sichuan University，Chengdu，Sichuan 610065，China)
Abstract：Anabrsis on the relevant technology and development Rends of Computer-aided engineering is carried out．The
application of CAE technology in agricultural production is introduced．According tO the finite element method，the principle
and examples of ways in which the finite element technology in grain 4DL combine electronic damping control system design
example，a detailed analysis and solution process are developed．
Key words：computer-aided engineering；agricultural machinery；finite element；shock absorber
1 引言 析和热分析硐。
CAE 是近几 年开始 在农 业机械领域应 用 的一种新 技
术 。CAE技术的兴起，为农业机械设计提供了全新设计理念 。
通过在设计初期直接在计算机环境 中创建机构 的有限元模
型，并进行各项性能仿真试验和分析，可 以使农业机械的结
构和功能得到模拟，实现设计与完善的同步进行。农业机械
因其工作环境恶劣和作业对象繁多等特殊性也同时给 CAE
技术提 出了一些新的要求。
2 CAE系统及 其主要功能
CAE(eomputer— aidedengineering)，英文直译为计算机
辅助工程 ，泛指包括分析、计算和仿真在 内的一切研发活动。
CAE的产生 、发展 ，依 托于力学、计算机技术 ，适应生产实践
发展的需要【1]。
产品的生产过程均可分为初步设计 、详细设计 、生产准
备和制造四个阶段。CAE指的是初步设计和详细设计 2个
阶段中的模拟分析计算 。CAE系统所具有的主要功能：基 于
几何模型的CAE系统可以很容易地计算零件的质量参数；
具有机构分析功能的 CAE系统，可 以检查机构的运动是否
与设想的一致，以及在运动过程中是否发生碰撞 ，即进行干涉
效验；基于数理模 型的 CAE系统，利用有限元法 、边界元法
和模态分析法，可 以对所设计 的产 品进行强度分析 、振动分
收稿 日期 ：2008—11—25
作者简介：黄巍(1982一)，男，硕士，研究方向为机电一体化
3 CAE技术的产 生与发展趋势
利用计算机进行必要的分析计算 ，从计算机一发 明便开
始 了。1953年 ，人们 开始运用收敛算法进行电力变压器 的计
算 。其后，由于有限元技术在喷气式飞机机翼结构中的成功
运用(1956年)，CAE概念逐渐成形 ，随着有限元技术的不断
完善 ，以及其它分析方法的不断引入 ，CAE日趋成熟131。
CAE是一项综合性工程。技术学科的交互性发展、计算
机智能化的不断提高、有限元算法的成熟以及各门实用科学
的突飞猛进 ，使 CAE走 出原有的数值分析体系，给传统研发
带来广度和深度 的影响。前后处理 、视觉仿真 、人工智能、人
机交互技术 的进步，为部件仿真 、虚拟开发创造 了条件 ，推动
CAE向高层次迈进 。当今 ，风洞、环境试验都可以通过虚拟
仿真来实现 ，包括应力 、热 、电磁 、声场在 内的整车、整船、整
星、整机的建模分析也已不再稀奇 。
新世 纪已经来临 、在这信息化和 网络化的时代，随着计
算机技术、CAE软件和网络技术的进步，CAE将得到极大的
发展。硬件方面，计算机将在高速化 、小型化 和大容量等方面
取得更大进步。
软件方面，现有的计算机仿真分析软件将得到进一步的
完善。大型通用分析软件的功能将愈来愈强大。界面也将愈来
愈友好，涵盖的工程领域将愈来愈普遍。随着互联网技术的不
第 12期 CAE技术的发展与在农业机械设计 中的应用 107
断发展 和普及，通过网络信息传递，不仅对某些技术难题 ，甚至
对于全 面的 CAE分析过程都有可能得到专家 的技术支持，这
必将在 CAE技术的推广应用方面发挥极为重要的作用。
4 CAE技术在农业成产 中的应用
以前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 ，CAE技术在农业机械 中的应用越来越
多 ，我 国农业机械行业的 CAE 应用与发达 国家相 比水平还
比较低 。由于一方面我们缺少 自己开发的具有 自主知识产权
的计算机分析 软件，另一方面企业 缺乏大量 掌握 CAE 技
术 的科技人员 ，使得 大多数 的农业 机械企业对 CAE 技术
还 处于初步 的认 同阶段。CAE 技术在农业 机械 中的工 业化
应 用还 有相 当 的难 度 。因此 我们有 必要 大力推 广与 推动
CAE 在农业机 械中的应用研究工作，来提高农业机械产品
的设计与制造水平，分析在役农业机械的安全性，从而逐步
带动整个行业的发展 。
5 基于有限元原理的模态分析实例
针对 4DL谷物联合 收割机 电子控制设备减震 系统进行
优化设计。根据机具 的实际作业条件 ，对机载电子器件的橡
胶减震器进行优化设计 ，使系统的固有频率跨过机具的作业
频率 ，从而避免共振对 电子设备的干扰与破坏。
首先在 PR／e中建模 后导人 ANSYS软件 中进行模 态分
析 以初步确定 2个方 向的固有频率 ，从而为下一步 的设计与
修改提供参考依据 。
5．1 橡胶减震器的建模
利用专 业 CAD三维软件 PR／e建立参数化 的减震 系统
模型 ，方便下一步对结构 尺寸进行 优化 ，最后保存 复本 为
ANSYS可读 的 iges文件 。图 1为减震器系统装配图 。
图 1系统装配图
5．2 基于 ANSYS的橡胶减震器分析
(1’前 处理 ：将 减震器 的 iges文件 导人 Ansys后对单元
类型、材料属性进行定义 。对减震器和系统进行布尔操作的
glue粘贴 运算后逐级进行 网格划 ，如图 2所示 。
图 2橡胶减震 器系统有限元模型
(2)有限元分析求解 ：首先将 solution中的 new analysis
选为模态分析，定义 阶数为 6阶 ，对系统施加边界限制。最后
点击 current LS进行分析
(3)后处理 ：读取结果，对每一 阶的振动频率进行动画 比
对分析 以判断有效振动方 向上的刚度大小，如 图 3所示 。最
后对六阶模态的分析结果 中不 同方向的固有频率进行标注 ，
为下一步的设计修改提供依据。提取对系统影 响较大的压缩
与剪切方 向的频率与系统工作频率 比较发现仍存在共振 的
可 能，因此将减震器橡胶 外壁 原件尺寸加厚 ，再次进行 以上
步骤 的分析 ，结 构使 系统 固有 频率跨 过了工作频率 ，避免 了
共振峰的出现 。模态分析与标注结果如 图 4所示。
图 3橡胶减震器模态动 画效果图
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SET Tl哐／FREQ
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S 79。5
6 02。765
6 结论
LOAD STEP
1
1
1
1
1
1
SUBSTEP
1
2
3
缸
5
6
CH删 LUT!UE
1
2
3
卑
S
6
图 4模 态分析结果
CAE('H-~机辅助工程)在航空、航天、机械和土木结构等
工程领域 已得到比较广泛的应用 ，在农业机械领域具有广阔
的发展前景。CAE 可 以优化农机设计 ，模拟农 业机械 的作业
过程 ，提高设计与生产效率 。本文以 4DL谷物联合 收割机电
子设备 减震 系统设 计实 例，介绍 了运 用 Pro／E和 ANSYS
等软件进行有限元分析的步骤 。通过试验验证了模型建立的
正确性 。
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CAE技术的发展与在农业机械设计中的应用.pdf
