动态优化方法在农业机械设计中的应用

欧阳陵江

（湖南工业职业技术学院，长沙 410082）

动态优化方法在农业机械设计中的应用

欧阳陵江

（湖南工业职业技术学院，长沙 410082）

目前，农业发展对机械化的要求越来越高，而动态优化方法对农业机械设计的帮助必不可少。它大大帮助农业机械减振、降噪以及提升农业机械的寿命。基于此，本文论述动态优化方法的定义及作用，并对动态优化方法在农业机械设计中的应用做出详细介绍，希望给相关人士了解动态优化及现代农业机械的设计带来一定帮助。

动态优化方法 农业机械 机械设计

引言

近年来，各国对机械设备振动过程中造成的损害以及事故越来越重视。农业机械作为农业技术路线选择的重点，体现了农业生产水平的基础，也受到了广泛重视。在传统的农业机械设计中，科研人员和生产制造商通常对农业机械采用数学模型的方法进行设计，并且利用模拟优化的方法对结构进行优化设计。这通常造成的误差较大，不能很好地适应市场，且生产的农业机械质量较差。动态优化方法是近几十年来新兴的一种消除以及减少机械有害振动和噪声的方法。它基于农业机械的动力学性能对农业机械进行结构改造，以达到最优结构设计的一种方法。一般来说，它是基于数学建模的方法，对模型结构进行研究和分析得出其动态特性。即在合理条件下对机械结构进行修改或者重新设计，得出农业机械最合理的机构。在农业机械设计中采用动态优化方法，可以有效提高农业机械的质量，并提升和培养其市场竞争力，因此得到了广大专业人士的响应。

1 动态优化方法的概述

目前，机械产品越来越高速，其精度也越来越高，质量越来越轻。对机械机构的动态特性进行分析，可以对机械结构的优化提供可靠的依据。机械结构的动态特性指的是基于机构的弹性变形、运动副的变形、原动机的输入速度波动等因素，对机械机构本身的频率、阻尼以及机械在动载荷作用下产生的响应进行分析，得出响应结果。

随着社会的进步和科技的发展，动态优化设计在机械设计方面的运用越来越广泛。现代动态优化设计指的是在产品的研发过程中，对机械产品的运动学和动力学进行求解，并且分析和计算与之相关的动态可靠性、安全性、疲劳强度和工作寿命等问题，从而确保所研发的产品满足实际生产、生活所需要的结构性能。而现代农业机械在现今科技化的社会中，其所要求的速度越来越高、结构越来越复杂、精度越来越高、功能也越来越齐全。在这样的要求下，对产品的动态可靠性、安全性、疲劳强度和工作寿命等问题的研究成了必不可少的一环。因此，产品的动态优化方法也越来越重要，它可将问题解决在设计阶段，从而大大减少生产成本，在激烈的市场竞争中相对传统机械设计有更强的适应能力，对实际生产有十分重要的意义。

农业机械设计中，动态优化方法的研究与应用可分为狭义动态优化方法和广义动态优化方法。狭义的动态优化方法主要通过对农业机械零部件进行研究，采用理论研究结合模型试验的方法，从而找出产品设计中的缺陷，进而对零部件的结构进行修改。而现代农业机械中，越来越向广义动态优化方法过渡，其大大扩展了狭义动态优化方法的内容。它研究的是有关机械运动过程中的动力学、运动学以及动态特性等问题。简单来说，农业机械中的动态优化方法是对系统参数的数值进行优化，结合数学规划理论、机械振动理论以及数值计算，以计算机为工具，建立一套对产品的动态可靠性、安全性、疲劳强度问题的优化方法。

它主要分为两步，第一是建立符合实际情况的数学模型，第二是选择合适的动态优化设计方法。它与传统的机械设计方法不同的是，它将产品的动态特性首先考虑到产品的设计中，解决了传统机械设计需要制作出样品且不断对样品进行修改的问题，在一定程度上节省了生产制造成本。但在我国的农业机械设计中，仍然是一门发展中的技术。它涉及到计算机技术、产品结构动力学运动学理论以及现代动态优化分析方法等多个学科的内容，具有一定的复杂性。

2 建立农业机械数学模型

2.1 农业机械作用特征

与传统农业相比，现代农业对农机的应用越来越广泛，机械化发展越来越强。其中，高新技术在农业机械中应用更加广泛，因此对农业机械使用过程中的方便性、自动化、舒适性以及智能化要求越来越高。为使农业生产中的新技术与新装备有新的突破，结合动态优化方法，可以更好地在设计阶段发现问题并且解决问题。另外，也可以相对准确地预测产品的性能和寿命。因而，动态优化方法的应用必不可少。

农业机械相对其他机械设计有着复杂性和随机性两个特点。复杂性指的是农业机械有着若干变量的多维系统，其一个输入可影响到几个输出变量。另外，农业机械状态也容易因零件的磨损和变形导致机构尺寸的变化，而这也在一定程度上影响数学模型的精准。比如，高速的农业机械结构会产生较大的惯性力，较大的惯性力会降低机械系统的固有频率，而高速运转也同时会增加激振频率，随着激振频率和固有频率的接近，机械运转会产生较大的振动和噪声。随机性是模型的本质特征。在对模型进行动态分析中，它可分为两种类型：一种是随机但并非本质的，这种可以通过设定一定的范围进行精确预测从而忽略；另一种在模型建立分析中起到很重要的作用，只能采用概率统计分析和随机过程理论建立数学模型。

2.2 农业机械数学模型

目前，农业机械设计的动态优化方法主要对机械的各个结构进行分解，对农业机械的功能、结构、操作以及系统各个部分进行分析，建立相关的数学模型。这对农业机械设计的质量提高有很大帮助。总体来说，农业机械设计的动态优化方法主要通过以下三个方法进行建模。

2.2.1 有限元法

有限元法在农业机械设计的动态优化方法中广泛应用，基本原理是将农业机械结构进行离散，然后采用弹性力学中的变分原理，将机械结构的几何、材料、载荷、约束等各个特性条件进行约束，把机械结构分为多个小单元，从而建立机械结构的动力学运动学方程，对机械结构进行求解，输出需要的计算结果。最后，对输入结果进行评估和分析，以帮助农业机械设计进行相关的优化以及改进设计。但是，有限元法产生的结果容易产生误差，如边界条件、几何模型和机构模型的关系不准确，都会对模型的动态响应产生一定的影响。因此，在进行有限元数学模型建立的过程中，要对有限元数学模型进行修正。

2.2.2 传递矩阵法

传递矩阵法相对于有限元法简单，其主要针对具有集中质量的离散系统模型和具有分布质量的连续系统模型，且具有易于编写计算机程序的特点，计算规模也不会随着模型自由度数的增加而剧增。它主要应用在轴类组件中，对结构的弯曲振动和扭转振动进行研究。它的基本原理是将轴以及轴上的各个结构按照相应的理论分别写出各自的传递矩阵，并将各元件的传递矩阵按一定顺序进行相乘，最后得到轴类组件的传递矩阵，从而建立整个机械结构的数学模型。

2.2.3 实验模态法

实验模态法是将复杂的实际结构简化成模态模型进行系统的参数识别，其简化了系统的数学运算。实验模态分析法主要应用于测量振动和对农业机械结构进行动力学分析，可得到比较精准的机械结构的固有频率、模态振型、模态阻尼、模态质量以及模态刚度。同时，实验模态法可以与有限元法相结合，用其结果对有限元理论模型进行修正，使机械结构的设计更趋完善和合理。另外，它也可以对农业机械设计进行动力学修改、灵敏度分析以及载荷识别。总的来说，这种方法对农业机械的系统特性分析有很大帮助，现今已在农业机械设计中得到了广泛应用。

3 农业机械设计动态优化方法

农业机械设计动态优化方法指的是对机械结构设计问题进行动态优化，其涉及到多个学科，特别是机械设计、现代动态分析、计算机技术、产品结构动力学理论。对农业机械设计的优化，简单来说，指的就是在指定的运动参数的条件下，求得相对理想的工艺指标，从而确定机械设计中最佳或次佳的运动学参数。它一般可有两种方法对农业机械设计进行优化。

3.1 通过农业机械设计的约束条件进行优化

该方法可根据农业机械设计的核心工作和主导思想，确定机械结构各个特性参数的变化范围。例如：可在农业机械结构充分考虑动载荷和满足约束条件的情况下，确定结构的质量、刚度和阻尼的最优分布参数，从而使结构具有更加优良的动态性。目前，业界主要通过三种方法对农业机械设计的约束进行优化：第一，基于变分原理，即将泛函数作为目标函数，求满足在约束条件下的泛函数的极值；第二，基于极小值原理，即确定一个影响机械结构动态性能的形状函数，求解在约束条件下机械的最优形状；第三，基于模态柔度以及能量平衡，这种方法将机械结构的质量、刚度等作为约束条件，以动柔度最为优化目标，求出抗振性能最好的机械结构。例如，要提高农业机械结构抗振性能，就要让机械结构中的各个零部件避免共振，并减小各阶模态柔度，增大模态阻尼。这种情况下，可首先在无阻尼情况下，优化机械结构的质量和刚度，并在此基础上再优化阻尼配置，从而使整个机械结构满足特性要求。

3.2 在农业机械设计的数字变量上进行优化

根据数字变量的设置对农业机械设计进行动态优化，可以提高农业机械的质量。一般，对农业机械设计的数字变量进行优化，应该根据行业规范、传统的设计经验以及相关的标准来确定农业机械结构中的强度、规格。这对农业机械在实际工作中的规范、效率、安全等有重要的影响。提高数字变量的准确性，对整个农业机械的设计有很重要的意义。

就目前来说，很多农业机械都在连续大振动情况下进行工作。因此，与其他机械设计相比，对农业机械的设计既要考虑到对有利振动的利用，又要考虑对有害振动的消除。总体过程来说，可由如图1所示的流程图简单表示。

图1 连续大振动情况下工作的流程图

4 结语

动态优化方法的可调节性已大大促进了现代农业机械设计的发展。本文首先介绍动态优化方法的定义和作用，继而叙述动态优化方法在农业机械设计中的作用。采用动态优化方法，就是在建立适当的数学模型的基础上，采取各类数学优化算法，实现对农业机械更加科学、合理的设计。当代农业机械的发展，不仅要提高设计的可行性，而且要提高设计的效率。合理运用动态优化设计，将大大提升农业机械制造设计的水平，具 有很好的发展前景。

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Application of Dynamic Optimization Method in the Design of Agricultural Machinery

OUYANG Lingjiang
(Hunan Industry Polytechnic, Changsha 410082)

At present, the requirement of agricultural development is more and more high, and the dynamic optimization method is essential to the design of agricultural machinery. It greatly helps the agricultural machinery to reduce vibration, reduce noise and increase the life span of agricultural machinery. Based on this, this paper discusses the dynamic optimization definition and function of the method, and the dynamic optimization method in the design of agricultural machinery application make details, hope to stakeholders understand the dynamic optimization and the modern agricultural machinery designed to bring some help.

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