現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法綜述及在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用

1、現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法綜述及在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用 隨著科技的發(fā)展，許多新的成果被引人優(yōu)化設(shè)計(jì)，特別是信息化技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了設(shè)計(jì)方法的革命，開(kāi)發(fā)了系列軟件，其中包括：CAD、AN SYS、AD AM S、VB、VC等，這些軟件各有特色，在應(yīng)用上相互交叉。其中CAD軟件是應(yīng)用最廣，對(duì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展影響最大的軟件，完全代替了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，使設(shè)計(jì)更加快捷方便，且具有記憶功能，使傳輸、保存、調(diào)用更加方便。ADAMS軟件不但具備虛擬制造、試驗(yàn)和測(cè)試功能，而且通過(guò)二次開(kāi)發(fā)還可以優(yōu)化參數(shù)，VB和VC軟件具有較強(qiáng)的可視性，適合機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)目標(biāo)的優(yōu)化。優(yōu)化是現(xiàn)代設(shè)計(jì)的核心技術(shù)?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)思想和方法大大推動(dòng)了制造業(yè)的發(fā)展；

2、反過(guò)來(lái)，每個(gè)設(shè)計(jì)者必須掌握現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，并熟練使用各種軟件工具。在國(guó)際上，航空、航天、汽車、軍工制造業(yè)等率先使用現(xiàn)代設(shè)計(jì)的新技術(shù)，農(nóng)機(jī)制造業(yè)相對(duì)滯后，一般來(lái)說(shuō)在上個(gè)世紀(jì)相差35年，到本世紀(jì)時(shí)差縮短到l 一3年。在上世紀(jì)80年代后期，中國(guó)開(kāi)始引入CAD技術(shù)。到本世紀(jì)已經(jīng)推廣到高校、研究院所和企業(yè)，隨著應(yīng)用和推廣，CAD技術(shù)不斷完善和拓寬，功能更加強(qiáng)大，現(xiàn)在任何機(jī)械設(shè)計(jì)單位如果在設(shè)計(jì)中不使用CAD軟件幾乎不可思議。其他軟件也有了不同程度的應(yīng)用，中國(guó)技術(shù)力量的構(gòu)架決定現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和軟件工具首先被研究型高等院校應(yīng)用，之后是普通院校和大型研究所，最后逐漸轉(zhuǎn)入生產(chǎn)企業(yè)。但是現(xiàn)代設(shè)計(jì)的核心系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

3、在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較少，僅僅局限在個(gè)別的學(xué)科領(lǐng)域，這是因?yàn)橄到y(tǒng)優(yōu)化首先要建立理論模型、采用適宜的優(yōu)化方法、設(shè)計(jì)相關(guān)的優(yōu)化軟件的基礎(chǔ)上，是一個(gè)難度很大的系統(tǒng)工程。例如，應(yīng)用較為普遍的航空、導(dǎo)彈理論研究面對(duì)的介質(zhì)是空氣，其物理性質(zhì)相對(duì)變化較?。欢r(nóng)業(yè)機(jī)械所處理各種物料，其物理性質(zhì)差異很大，理論研究和優(yōu)化方法有其特殊性，不能照搬其他理論和方法。現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用如果包括了系統(tǒng)優(yōu)化則必須建立設(shè)計(jì)平臺(tái)。本文在介紹現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的同時(shí)也將介紹課題組在建設(shè)平臺(tái)方面所做的探索性工作。1 平臺(tái)的內(nèi)容11創(chuàng)新方法的建立 農(nóng)業(yè)機(jī)械的創(chuàng)新有特殊性也有其普遍性。農(nóng)業(yè)機(jī)械的創(chuàng)新首先是機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新，新的機(jī)構(gòu)能夠完成傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)所不能完成的

4、技術(shù)要求。機(jī)構(gòu)創(chuàng)新由兩部分組成：發(fā)現(xiàn)機(jī)構(gòu)創(chuàng)新元素和找到實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新元素的實(shí)施方案。兩者都非常重要，但是對(duì)不同的項(xiàng)目，相對(duì)難度有所不同：有的發(fā)現(xiàn)創(chuàng)新元素難度大，有的尋求實(shí)施方案難度更大。12理論研究成果理論研究是設(shè)計(jì)優(yōu)化、虛擬試驗(yàn)和測(cè)試軟件的基礎(chǔ)。理論創(chuàng)新的主要目的是參數(shù)優(yōu)化，優(yōu)化是設(shè)計(jì)的核心。理論研究從理論分析開(kāi)始，通過(guò)理論演繹或?qū)嶒?yàn)回歸建立數(shù)學(xué)模型和目標(biāo)函數(shù)，設(shè)計(jì)軟件。理論研究的成果包括專著、文章以及歷屆研究生論文，是現(xiàn)代設(shè)計(jì)平臺(tái)的重要內(nèi)容。13優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件市場(chǎng)上出售的各種軟件是設(shè)計(jì)者的工具，其功能越來(lái)越強(qiáng)，應(yīng)用面越來(lái)越廣，農(nóng)機(jī)研究者必須掌握。掌握軟件的使用方法主要不是依靠課堂教學(xué)，而是依靠工程

5、實(shí)踐和實(shí)踐過(guò)程中的指導(dǎo)。一般來(lái)說(shuō)，老師應(yīng)該有研究課題，學(xué)生( 本科和研究生) 在完成研究的工作中，通過(guò)高年級(jí)學(xué)生指導(dǎo)低年級(jí)學(xué)生，將軟件的使用方法傳承下來(lái)。盡管市場(chǎng)軟件具有強(qiáng)大的功能，可以完成虛擬制造、試驗(yàn)和測(cè)試工作，但是沒(méi)有二次開(kāi)發(fā)就不能進(jìn)行設(shè)計(jì)的核心工作參數(shù)優(yōu)化。沒(méi)有精準(zhǔn)的參數(shù)優(yōu)化，后面的虛擬制造、試驗(yàn)和測(cè)試工作就沒(méi)有意義，這些工作的目的是驗(yàn)證參數(shù)優(yōu)化的精準(zhǔn)程度。農(nóng)業(yè)機(jī)械的多參數(shù)、強(qiáng)耦合性、模糊性、非線性復(fù)雜多目標(biāo)優(yōu)化是一項(xiàng)難度很大的工作，傳統(tǒng)的優(yōu)化方法難以完成。筆者提出了“ 復(fù)優(yōu)化” 和“ 參數(shù)導(dǎo)引” 優(yōu)化方法，在以上方法指導(dǎo)下，設(shè)計(jì)了“ 傻瓜” 化和全自動(dòng)軟件，成功的解決了以上復(fù)雜的優(yōu)化

6、問(wèn)題，轉(zhuǎn)讓總金額達(dá)70萬(wàn)元。要求研究生對(duì)自己所研究的核心工作部件用以上優(yōu)化方法建立系統(tǒng)的優(yōu)化軟件，軟件同時(shí)具有虛擬制造、試驗(yàn)和測(cè)試的功能，也希望通過(guò)辦培訓(xùn)班使師生掌握設(shè)計(jì)軟件的方法。14試驗(yàn)臺(tái)架 完成了以上優(yōu)化和虛擬試驗(yàn)工作，下一步是試驗(yàn)臺(tái)架和核心工作部件的研制，在臺(tái)架上做核心工作部件的性能和可靠性試驗(yàn)，在完成以上工作程序后，進(jìn)行整機(jī)設(shè)計(jì)和田問(wèn)試驗(yàn)。目前，課題組在已完成省級(jí)重點(diǎn)項(xiàng)目“ 農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造平臺(tái)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用” 的基礎(chǔ)上，將探索各種核心部件優(yōu)化后的計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成設(shè)計(jì)圖紙的工作。15隊(duì)伍建設(shè) 平臺(tái)建設(shè)的關(guān)鍵是培養(yǎng)一支熟練掌握現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和工具的隊(duì)伍。首先，隊(duì)伍的核心成員具有深

7、厚的理論基礎(chǔ)，包括數(shù)學(xué)、工程力學(xué)、機(jī)械原理等。基礎(chǔ)及專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，特別是具備利用所學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，例如利用數(shù)學(xué)知識(shí)解決工程力學(xué)問(wèn)題，利用數(shù)學(xué)、工程力學(xué)知識(shí)解決機(jī)械原理問(wèn)題，以及利用以上基礎(chǔ)知識(shí)解決農(nóng)業(yè)機(jī)械理論問(wèn)題。這方面能力依靠在科研過(guò)程中逐漸培養(yǎng)，國(guó)家自然科學(xué)基金完成過(guò)程是培養(yǎng)這方面能力的最好平臺(tái)。2建立平臺(tái)的意義21農(nóng)業(yè)機(jī)械的研究難度季節(jié)性強(qiáng)：農(nóng)業(yè)機(jī)械成功需要田間試驗(yàn)驗(yàn)證，但是每年田間試驗(yàn)的時(shí)間短，一旦機(jī)器出現(xiàn)問(wèn)題，就可能錯(cuò)過(guò)了試驗(yàn)季節(jié)，只好等待下一年的試驗(yàn)，所以一般農(nóng)業(yè)機(jī)械的研究周期較長(zhǎng)。環(huán)境惡劣：表現(xiàn)在兩個(gè)方面：農(nóng)機(jī)作業(yè)環(huán)境變化大，作業(yè)條件差；農(nóng)業(yè)機(jī)械處理的物料包括土壤

8、、莖稈、果實(shí)、幼苗、種子等，物理性能差異很大。造價(jià)低廉：農(nóng)業(yè)產(chǎn)品價(jià)格低決定了機(jī)器造價(jià)須同樣價(jià)格低廉。適應(yīng)寬泛：中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域氣候環(huán)境差異大，同樣作物生產(chǎn)方式各不相同，好的農(nóng)業(yè)機(jī)械應(yīng)該具有寬泛的適應(yīng)性。競(jìng)爭(zhēng)激烈：近年來(lái)外資企業(yè)紛紛在中國(guó)建廠，它們具有雄厚的技術(shù)和資金實(shí)力，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力主要在于適應(yīng)中國(guó)的農(nóng)藝要求和高性價(jià)比，與國(guó)外產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵是研發(fā)周期的長(zhǎng)短，縮短研發(fā)周期的主要手段是掌握現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和建立研發(fā)平臺(tái)。22現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的核心是參數(shù)優(yōu)化、虛擬制造、試驗(yàn)和測(cè)試，它的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在以下三方面： 縮短周期：農(nóng)業(yè)機(jī)械的研究和設(shè)計(jì)工作主要在室內(nèi)通過(guò)計(jì)算機(jī)和臺(tái)架試驗(yàn)完成，解決了農(nóng)

9、機(jī)研究的季節(jié)性問(wèn)題。從課題組的研究成果看，所轉(zhuǎn)讓的14臺(tái)樣機(jī)田間性能試驗(yàn)均一次性成功，這樣就大大縮短了研發(fā)周期。降低成本：研制樣機(jī)資金投人最大，由于樣機(jī)成功率高，大大降低了研究成本。精準(zhǔn)度高：采用了先進(jìn)的優(yōu)化方法，優(yōu)化精度高，所設(shè)計(jì)研制的機(jī)器眭能更接近目標(biāo)的理想值。3現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法介紹代設(shè)計(jì)方法的核心是優(yōu)化參數(shù)，本文作者提出了一種新的優(yōu)化方法，命名為“ 參數(shù)導(dǎo)引” 優(yōu)化方法。該方法通過(guò)目標(biāo)函數(shù)的計(jì)算，告之每次需要改變的參數(shù)，通過(guò)逐次逼近目標(biāo)理想值，最后使所有目標(biāo)函數(shù)計(jì)算值與目標(biāo)函數(shù)理想值的差值小于預(yù)定的系列微小值。系列理想目標(biāo)中每個(gè)理想目標(biāo)是一個(gè)范圍而不是唯一值。嚴(yán)格意義上，所獲得的參數(shù)解非最優(yōu)

10、解，稱之為“ 非劣解” ，有無(wú)限多組參數(shù)滿足目標(biāo)要求，每次優(yōu)化所獲得的參數(shù)值相近但不相同，形成“ 非劣解” 群。針對(duì)需要解決動(dòng)力學(xué)目標(biāo)優(yōu)化的問(wèn)題，作者提出了“ 復(fù)優(yōu)化” 方法：作者應(yīng)用“ 參數(shù)導(dǎo)引” 優(yōu)化方法，針對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)目標(biāo)優(yōu)化參數(shù)，將“ 非劣解” 群的邊界作為約束條件，以動(dòng)力學(xué)工況作為優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)優(yōu)化，得到既滿足運(yùn)動(dòng)學(xué)目標(biāo)又達(dá)到動(dòng)力學(xué)目標(biāo)要求的參數(shù)值。圖1 理論設(shè)計(jì)工作流程 程序第一步是方案確定，包括調(diào)研、分析，最后確定方案。方案確定一定要慎之又慎。一般新涉足研究領(lǐng)域者往往不重視方案的研究，想到一個(gè)方案，沒(méi)有群策群力，拿起來(lái)就做，結(jié)果南轅北轍，花費(fèi)了大量時(shí)間和資金，最后還要從頭做起。

11、緊接著下一個(gè)步驟是理論分析，通過(guò)理論演繹建立模型，或者通過(guò)試驗(yàn)研究，回歸分析，建立模型。在以上工作的基礎(chǔ)上建立目標(biāo)函數(shù)，這是能精準(zhǔn)優(yōu)化參數(shù)的關(guān)鍵一步，也是應(yīng)用“ 參數(shù)導(dǎo)引” 優(yōu)化方法的前提。在VB平臺(tái)上設(shè)計(jì)軟件，軟件要具備優(yōu)化參數(shù)、虛擬制造、試驗(yàn)和測(cè)試的功能。優(yōu)化參數(shù)是整個(gè)程序中最為重要的一步，優(yōu)化參數(shù)的效率和精準(zhǔn)度是整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程水平的體現(xiàn)。從圖1看出，現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)方法比較，在整個(gè)過(guò)程中增加了大量的新的內(nèi)容，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)程序所占的比例很小，保留了研制樣機(jī)和田間試驗(yàn)兩個(gè)傳統(tǒng)的步驟，其中機(jī)械設(shè)計(jì)由CAD軟件繪圖改為自動(dòng)生成圖紙。雖然增加了許多新的工作程序，但是大大提高了設(shè)計(jì)的成功率和縮短了設(shè)計(jì)周

12、期。4 小結(jié)現(xiàn)代設(shè)計(jì)軟件包括兩種：市場(chǎng)出售的各種軟件和自編的優(yōu)化、虛擬試驗(yàn)和測(cè)試軟件。自編軟件需要做大量的理論和試驗(yàn)研究工作，市場(chǎng)出售的各種軟件功能越來(lái)越強(qiáng)大，可以做虛擬制造、試驗(yàn)和測(cè)試工作。如果優(yōu)化參數(shù)，則必須做二次開(kāi)發(fā)。筆者認(rèn)為，在VB平臺(tái)上作機(jī)械優(yōu)化工作量相對(duì)小些。目前課題組在VB平臺(tái)上設(shè)計(jì)的軟件具有二維模擬功能，下一步工作是將二維模擬發(fā)展為三維模擬，同時(shí)具有原來(lái)的優(yōu)化參數(shù)的功能。【參考文獻(xiàn)】1 趙勻.農(nóng)業(yè)機(jī)械分析與綜合M.北京.機(jī)械工業(yè)出版社.2008.2 Zhao Yun,Chen Jianneng,Yu Yaxin,et al,Quadratic optimization method and its application on optimizing mechanism parameterJ.Chinese Journal of Mechanical Engineering.2006.3 ZhaoYun，YuGaohong，Chen Jianneng，eta1Mechanism dynamics sequence solution method and applicationJ.ASME,Journal of Computational and Nonlinear Dynamics,2007.254 趙勻，趙雄，張瑋煒，等水稻插秧機(jī)現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論和方法J 農(nóng)業(yè)機(jī)械