機械工程師論文動態優化方法在農業機械設計的應用

　　這篇機械工程師論文發表了動態優化方法在農業機械設計中的應用的，盡力年農業機械直接關系到農業生產的水平，受到了廣泛的重視，在機械農業設計中采取動態優化的方法可以提高農業機械的質量，論文對動態優化方法進行了概述，并建立了農業機械數學模型。

　　摘要：目前，農業發展對機械化的要求越來越高，而動態優化方法對農業機械設計的幫助必不可少。它大大幫助農業機械減振、降噪以及提升農業機械的壽命。基于此，本文論述動態優化方法的定義及作用，并對動態優化方法在農業機械設計中的應用做出詳細介紹，希望給相關人士了解動態優化及現代農業機械的設計帶來一定幫助。

　　關鍵詞：機械工程師論文,動態優化方法,農業機械,機械設計

　　引言

　　近年來，各國對機械設備振動過程中造成的損害以及事故越來越重視。農業機械作為農業技術路線選擇的重點，體現了農業生產水平的基礎，也受到了廣泛重視。在傳統的農業機械設計中，科研人員和生產制造商通常對農業機械采用數學模型的方法進行設計，并且利用模擬優化的方法對結構進行優化設計。這通常造成的誤差較大，不能很好地適應市場，且生產的農業機械質量較差。動態優化方法是近幾十年來新興的一種消除以及減少機械有害振動和噪聲的方法。它基于農業機械的動力學性能對農業機械進行結構改造，以達到最優結構設計的一種方法。一般來說，它是基于數學建模的方法，對模型結構進行研究和分析得出其動態特性。即在合理條件下對機械結構進行修改或者重新設計，得出農業機械最合理的機構。在農業機械設計中采用動態優化方法，可以有效提高農業機械的質量，并提升和培養其市場競爭力，因此得到了廣大專業人士的響應。

　　1動態優化方法的概述

　　目前，機械產品越來越高速，其精度也越來越高，質量越來越輕。對機械機構的動態特性進行分析，可以對機械結構的優化提供可靠的依據。機械結構的動態特性指的是基于機構的彈性變形、運動副的變形、原動機的輸入速度波動等因素，對機械機構本身的頻率、阻尼以及機械在動載荷作用下產生的響應進行分析，得出響應結果。隨著社會的進步和科技的發展，動態優化設計在機械設計方面的運用越來越廣泛?，F代動態優化設計指的是在產品的研發過程中，對機械產品的運動學和動力學進行求解，并且分析和計算與之相關的動態可靠性、安全性、疲勞強度和工作壽命等問題，從而確保所研發的產品滿足實際生產、生活所需要的結構性能。而現代農業機械在現今科技化的社會中，其所要求的速度越來越高、結構越來越復雜、精度越來越高、功能也越來越齊全。在這樣的要求下，對產品的動態可靠性、安全性、疲勞強度和工作壽命等問題的研究成了必不可少的一環。因此，產品的動態優化方法也越來越重要，它可將問題解決在設計階段，從而大大減少生產成本，在激烈的市場競爭中相對傳統機械設計有更強的適應能力，對實際生產有十分重要的意義。農業機械設計中，動態優化方法的研究與應用可分為狹義動態優化方法和廣義動態優化方法。狹義的動態優化方法主要通過對農業機械零部件進行研究，采用理論研究結合模型試驗的方法，從而找出產品設計中的缺陷，進而對零部件的結構進行修改。而現代農業機械中，越來越向廣義動態優化方法過渡，其大大擴展了狹義動態優化方法的內容。它研究的是有關機械運動過程中的動力學、運動學以及動態特性等問題。簡單來說，農業機械中的動態優化方法是對系統參數的數值進行優化，結合數學規劃理論、機械振動理論以及數值計算，以計算機為工具，建立一套對產品的動態可靠性、安全性、疲勞強度問題的優化方法。它主要分為兩步，第一是建立符合實際情況的數學模型，第二是選擇合適的動態優化設計方法。它與傳統的機械設計方法不同的是，它將產品的動態特性首先考慮到產品的設計中，解決了傳統機械設計需要制作出樣品且不斷對樣品進行修改的問題，在一定程度上節省了生產制造成本。但在我國的農業機械設計中，仍然是一門發展中的技術。它涉及到計算機技術、產品結構動力學運動學理論以及現代動態優化分析方法等多個學科的內容，具有一定的復雜性。

　　2建立農業機械數學模型

　　2.1農業機械作用特征

　　與傳統農業相比，現代農業對農機的應用越來越廣泛，機械化發展越來越強。其中，高新技術在農業機械中應用更加廣泛，因此對農業機械使用過程中的方便性、自動化、舒適性以及智能化要求越來越高。為使農業生產中的新技術與新裝備有新的突破，結合動態優化方法，可以更好地在設計階段發現問題并且解決問題。另外，也可以相對準確地預測產品的性能和壽命。因而，動態優化方法的應用必不可少。農業機械相對其他機械設計有著復雜性和隨機性兩個特點。復雜性指的是農業機械有著若干變量的多維系統，其一個輸入可影響到幾個輸出變量。另外，農業機械狀態也容易因零件的磨損和變形導致機構尺寸的變化，而這也在一定程度上影響數學模型的精準。比如，高速的農業機械結構會產生較大的慣性力，較大的慣性力會降低機械系統的固有頻率，而高速運轉也同時會增加激振頻率，隨著激振頻率和固有頻率的接近，機械運轉會產生較大的振動和噪聲。隨機性是模型的本質特征。在對模型進行動態分析中，它可分為兩種類型：一種是隨機但并非本質的，這種可以通過設定一定的范圍進行精確預測從而忽略;另一種在模型建立分析中起到很重要的作用，只能采用概率統計分析和隨機過程理論建立數學模型。

　　2.2農業機械數學模型

　　目前，農業機械設計的動態優化方法主要對機械的各個結構進行分解，對農業機械的功能、結構、操作以及系統各個部分進行分析，建立相關的數學模型。這對農業機械設計的質量提高有很大幫助?？傮w來說，農業機械設計的動態優化方法主要通過以下三個方法進行建模。2.2.1有限元法有限元法在農業機械設計的動態優化方法中廣泛應用，基本原理是將農業機械結構進行離散，然后采用彈性力學中的變分原理，將機械結構的幾何、材料、載荷、約束等各個特性條件進行約束，把機械結構分為多個小單元，從而建立機械結構的動力學運動學方程，對機械結構進行求解，輸出需要的計算結果。最后，對輸入結果進行評估和分析，以幫助農業機械設計進行相關的優化以及改進設計。但是，有限元法產生的結果容易產生誤差，如邊界條件、幾何模型和機構模型的關系不準確，都會對模型的動態響應產生一定的影響。因此，在進行有限元數學模型建立的過程中，要對有限元數學模型進行修正。2.2.2傳遞矩陣法傳遞矩陣法相對于有限元法簡單，其主要針對具有集中質量的離散系統模型和具有分布質量的連續系統模型，且具有易于編寫計算機程序的特點，計算規模也不會隨著模型自由度數的增加而劇增。它主要應用在軸類組件中，對結構的彎曲振動和扭轉振動進行研究。它的基本原理是將軸以及軸上的各個結構按照相應的理論分別寫出各自的傳遞矩陣，并將各元件的傳遞矩陣按一定順序進行相乘，最后得到軸類組件的傳遞矩陣，從而建立整個機械結構的數學模型。2.2.3實驗模態法實驗模態法是將復雜的實際結構簡化成模態模型進行系統的參數識別，其簡化了系統的數學運算。實驗模態分析法主要應用于測量振動和對農業機械結構進行動力學分析，可得到比較精準的機械結構的固有頻率、模態振型、模態阻尼、模態質量以及模態剛度。同時，實驗模態法可以與有限元法相結合，用其結果對有限元理論模型進行修正，使機械結構的設計更趨完善和合理。另外，它也可以對農業機械設計進行動力學修改、靈敏度分析以及載荷識別?？偟膩碚f，這種方法對農業機械的系統特性分析有很大幫助，現今已在農業機械設計中得到了廣泛應用。

　　3農業機械設計動態優化方法

　　農業機械設計動態優化方法指的是對機械結構設計問題進行動態優化，其涉及到多個學科，特別是機械設計、現代動態分析、計算機技術、產品結構動力學理論。對農業機械設計的優化，簡單來說，指的就是在指定的運動參數的條件下，求得相對理想的工藝指標，從而確定機械設計中最佳或次佳的運動學參數。它一般可有兩種方法對農業機械設計進行優化。

　　3.1通過農業機械設計的約束條件進行優化

　　該方法可根據農業機械設計的核心工作和主導思想，確定機械結構各個特性參數的變化范圍。例如：可在農業機械結構充分考慮動載荷和滿足約束條件的情況下，確定結構的質量、剛度和阻尼的最優分布參數，從而使結構具有更加優良的動態性。目前，業界主要通過三種方法對農業機械設計的約束進行優化：第一，基于變分原理，即將泛函數作為目標函數，求滿足在約束條件下的泛函數的極值;第二，基于極小值原理，即確定一個影響機械結構動態性能的形狀函數，求解在約束條件下機械的最優形狀;第三，基于模態柔度以及能量平衡，這種方法將機械結構的質量、剛度等作為約束條件，以動柔度最為優化目標，求出抗振性能最好的機械結構。例如，要提高農業機械結構抗振性能，就要讓機械結構中的各個零部件避免共振，并減小各階模態柔度，增大模態阻尼。這種情況下，可首先在無阻尼情況下，優化機械結構的質量和剛度，并在此基礎上再優化阻尼配置，從而使整個機械結構滿足特性要求。

　　3.2在農業機械設計的數字變量上進行優化

　　根據數字變量的設置對農業機械設計進行動態優化，可以提高農業機械的質量。一般，對農業機械設計的數字變量進行優化，應該根據行業規范、傳統的設計經驗以及相關的標準來確定農業機械結構中的強度、規格。這對農業機械在實際工作中的規范、效率、安全等有重要的影響。提高數字變量的準確性，對整個農業機械的設計有很重要的意義。就目前來說，很多農業機械都在連續大振動情況下進行工作。因此，與其他機械設計相比，對農業機械的設計既要考慮到對有利振動的利用，又要考慮對有害振動的消除?？傮w過程來說，可由如圖1所示的流程圖簡單表示。

　　4結語

　　動態優化方法的可調節性已大大促進了現代農業機械設計的發展。本文首先介紹動態優化方法的定義和作用，繼而敘述動態優化方法在農業機械設計中的作用。采用動態優化方法，就是在建立適當的數學模型的基礎上，采取各類數學優化算法，實現對農業機械更加科學、合理的設計。當代農業機械的發展，不僅要提高設計的可行性，而且要提高設計的效率。合理運用動態優化設計，將大大提升農業機械制造設計的水平，具有很好的發展前景。

　　作者：歐陽陵江 單位：湖南工業職業技術學院

　　推薦期刊：《機械工業標準化與質量》(月刊)創刊于1976年，由機械科學研究總院、中國機械工業標準化技術協會主辦。本刊是機械行業唯一的在全國公開發行的標準化與質量方面的宣傳媒體。