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农用拖拉机造型设计与应用研究

2024-07-10 12 上传者：管理员

摘要：鉴于用户对于拖进机外观造型要求提高的现状，对农用拖拉机造型设计与应用进行了研究。拖拉机的整体造型采用逆向工程的方法进行设计，系统分为监控层、应用层、造型设计层和数据库。在进行农用拖拉机造型设计时，除了满足功能和美观的需要之外，还应使结构具有足够的强度和刚度。为此，通过对拖拉机主要受力部分驾驶室和车架的结构进行有限元分析，保证各部分强度低于材料的许用应力。为了验证农用拖拉机造型的合理性，对其进行强度校核试验和用户美观评价试验，结果表明：拖拉机的强度和刚度可保证结构的安全，且造型基本符合用户的审美要求。

关键词：
农用拖拉机
有限元分析
虚拟样机
逆向工程
造型设计
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农用拖拉机在进行造型设计时，不仅需要将其最基本的功能涵盖，而且还应对各功能区的尺寸、外观、内饰等进行综合的规划设计。另外，用户对于拖进机外观造型要求不断提高，且造型质量已经作为拖拉机质量评判指标之一。但是，我国拖拉机发展较晚，虽然造型水平已有所提高，但在尺寸比例、整体协调性以及曲线连续性方面仍然与发达国家存在较大的差距[1],从而导致了拖拉机在设计生产过程中频繁返工、改进设计，延长了生产周期，降低了生产效率。

虚拟样机技术集合了计算机、仿真、建模等技术，可用于对设计的产品进行仿真测试，以替代物理样机进行实际测试[2,3]。采用该技术可以有效实现产品性能、运动和动力、曲线连续性等方面在设计阶段的特性，测试完成即可对产品结构和造型进行改进，有效提高了设计效率、降低了开发成本，可以将其用于农用拖拉机造型设计。但是，由于我国在拖拉机造型方面与国际先进水平仍然存在一定差距，若单纯的采用正向开发模式进行拖拉机造型设计，仍然无法快速提升我国拖拉机造型水平。

逆向工程是以现有的结构作为基础，在材料、外形、曲线等方面进行消化、改进和创新，最终研发更优产品的工程[4]。其与正向工程相对应，但具有新产品开发效率高、研发成本低等优点，特别适用于对产品尺寸比例、协调性等方面的改进。因此，可以将虚拟样机技术和逆向工程技术共同应用于农用拖拉机的造型研发，为农用拖拉机造型设计与应用提供参考。

1、整体造型设计

拖拉机的整体造型设计采用逆向工程的方法进行，即在原有拖拉机实物模型基础上，利用CAD软件对拖拉机各尺寸测量数据进行重建并改进。农用拖拉机造型设计系统根据功能可以分为监控层、应用层、造型设计层和数据库，如图1所示。

1.1监控层

监控层主要包括可视化装置及环境数据库，可通过可视化装置为农用拖拉机造型设计人员提供一个仿真显示的平台。设计人员可以从环境数据库中任意选择作业环境，利用该平台对拖拉机造型进行仿真和人机互动，从中发现造型上的缺陷，并及时进行相关造型设计的更改，以协同设计的方式提高设计效率，保证造型的合理性。

1.2应用层

应用层是以数据库作为基础，通过造型设计层确定拖拉机虚拟样机，主要包括拖拉机造型整体设计和数据信息管理两个模块。

拖拉机造型整体设计主要包括概念造型设计系统和尺寸冲突决策系统。其中，概念造型设计系统是根据客户要求进行的概念设计，旨在满足客户对拖拉机功能、造型等方面的要求。尺寸冲突决策系统是当造型设计的尺寸、功能、曲线等发生冲突时，由该系统对尺寸进行整体的计算，做出决策，并及时地将决策结果反馈至概念造型设计系统，进行尺寸等方面的调整，以配合整体造型设计。

数据信息管理模块主要包括几何模型系统、步骤信息系统、仿真系统和决策系统，各模块之间的功能设计如图2所示。

图1农用拖拉机造型设计系统的结构简图

图2数据信息管理模块的功能设计图

集合模型系统工作时：一是进行设计规划，调研客户需求，编写客户任务书，根据客户需求确定拖拉机的整体集合模型框架。二是利用步骤信息系统进行初步设计，可利用绘图软件进行草图、效果图的绘制，根据油泥模型进行数据化测量，利用参考模型确定尺寸信息，由数据化测量信息和尺寸信息共同确定拖拉机的三维模型。一般三维模型采用CAD/CAM等软件构建，并采用PDM系统进行数据信息的集成。三是利用仿真系统对三维模型进行仿真，并利用监控层进行视觉和触觉的使用，以实现人机互动，从而发现尺寸、造型和设计缺陷，并利用决策系统进行相关尺寸的决策。

农用拖拉机造型设计主要包括驾驶室、外部覆盖件、车身相关装饰、悬挂系统和传动系统等方面[5],如图3所示。

图3农用拖拉机造型结构简图

1.3造型设计层

造型设计层的各系统设计与应用层数据信息管理模块内部的系统相对应，是该模块的子系统，主要包括模型子系统、仿真子系统、试验子系统和决策子系统，且各系统之间既可以独自运行，又可以互享拖拉机造型数据。

1.4数据库

数据库是进行拖拉机造型设计的数据基础，用于对拖拉机的造型数据进行存储、维护、管理。数据库按照数据类别进行分类管理，主要包括模型库、知识库、试验库和工程数据库。

1)模型库主要包括拖拉机的实体模型和仿真模型两种。在存储时，以模块化作为原则，将拖拉机的模型分别成不同类别的构件；在设计时，可以按照使用要求调用不同类别的构件，以便快速进行设计，提高设计的效率，缩短设计周期。

2)知识库主要用于存储拖拉机设计过程的经验以及法律、法规标准等对造型的要求。

3)试验数据库主要用于存储拖拉机的各类试验数据，如力学性能数据、轮胎特性数据以及行驶数据等。

4)工程数据库用于存储拖拉机造型的工程数据，包括色彩效果图、材质及造型原则等数据。

2、结构有限元分析

在进行农用拖拉机造型设计时，除了满足功能和美观的需要之外，在结构上还应具有足够的强度，以保证农用拖拉机的可靠性和使用寿命。拖拉机的外观造型主要受力部分为驾驶室和车架，故主要对这两部分进行结构强度分析。

2.1驾驶室结构有限元分析

为了保证拖拉机在作业时各结构的应力不超过材料极限，需要对拖拉机造型完成后的驾驶室进行静态和动态分析。

静态分析是利用有限模型对拖拉机静止状态的刚度进行分析，以保证材料利用率的最大化，降低成本[6]。首先，对驾驶室的强度进行分析，即计算驾驶室可抵抗多大的外部破坏力。对于驾驶室这种空间结构而言，一般是计算结构不同位置的主应力(σ1,σ2,σ3),进而确定等效应力。为了避免其他未知因素，保证材料的安全性，计算时需要加入安全系数s确定许用应力[σ],即

其中，σb为材料的极限应力。

驾驶室材料的等效应力小于许用应力即可，否则还需要调整材料或驾驶室结构；其后，对材料的刚度进行分析，即对材料的变形进行计算。而材料的变形与单位长度的变形大小有关(即应变ε),可表示为

其中，δ和s分别为材料的变形量和原始长度。

当材料受到外力作用时，单位面积受力σ0为

其中，F和A分别为材料受到的外力及受力的总面积。

此时，σ0和ε具有以下关系，即

结合以上各式，可以确定材料受到外力时的变形量δ为

材料的变形量应小于约束值[7]。通过对驾驶室各处的材料尺寸以及受到的最大应力进行计算，保证各处变形量均小于约束值即可，否则需要对造型结构进行改进。

动态分析是在利用有限元模型对拖拉机进行模态分析，以获取其在长期振动条件下的刚度特性。拖拉机作业时，驾驶室作为振动系统，其微分方程为

该系统具有n个自由度。其中，[M]和[G]分别为驾驶室各部分质量和刚度形成的矩阵；[Z]为驾驶室振动时阻尼运动矩阵；s(t)、

分别为拖拉机行驶时在某方向的位移、速度和加速度的向量；g(t)为外部载荷对拖拉机作用的向量。

由于外部载荷对拖拉机的模态无影响，则g(t)为0;而拖拉机基本无阻尼运动，则[Z]也可视作0。此时，微分方程可简化为

对于拖拉机作业时的固有振动，可以分解为多个间谐振动，此时位移向量s(t)可表示为

s(t)=[S]ejωt

其中，[S]为分解的简谐振动的振幅。

此时，微分方程为

{[G]-ω2[M]}{S}={0}

求解上式具有唯一的非零解，需要满足以下条件，即

对以上求解，可得微分方程的特征向量[Φ]符合以下关系式，即

{[G]-ω2[M]}{ϕ}={0}

该向量即为拖拉机作业时的模态。对拖拉机的各处求解模态，若与振源发生共振，则需要对其造型进行改进，以避免发生共振。

2.2车架结构有限元分析

对农用拖拉机车架的分析与驾驶室的分析近似。拖拉机作业过程中会受到各种力的作用，为了保证作业过程中的强度和刚性，需要对其进行静力学分析，即采用有限元的方法对受到外部稳定载荷、压力等力的作用下拖拉机的强度和刚度进行分析[8]。分析时，车架受到外力载荷F后的控制方程为

{F}={Ks}{Us}

其中，{Ks}和{Us}分别为车架在力作用下的结构刚度矩阵和位移。

将以上控制方程转变为矩阵形式，并计算车架上任意节点的位移{δ},即

其中，{Rs}为车架受到的载荷所形成的矩阵。

根据车架上各个节点的位移矩阵[δ]*确定车架的许用应力[σ]为

[σ]=[d][ε][δ]*

其中，[d]和[ε]分别表示车架节点的弹性和应变矩阵。

通过上式，可以确定车架的应力和应变。在进行车架的强度校核时，可以利用Vonmiss等效应力对最大的综合应力进行计算，公式为

其中，σ1、σ2和σ3分别为车架在3方向受到的最大应力，应符合的条件为σr≤[σ]。

3、试验结果

3.1拖拉机强度校核试验

该拖拉机是通过逆向工程的方式，在原有拖拉机实物的基础上改进得出，且在进行结构有限元分析时主要针对拖拉机的驾驶室和车架进行分析。因此，在进行强度校核时将现有结构与原结构的拖拉机驾驶室和车架在满载情况下静力学强度进行对比。通过有限元分析后，各处强度对比如表1所示。

表1拖拉机强度校核试验结果

由表1可知：改进后驾驶室的最大应力值降低，变形量基本维持不变；机架(前机壳罩体)的最大应力值和变形量变化很小，可视作与原结构基本保持一致；驾驶室和机架(前机壳罩体)的最大应力值均低于拖拉机使用材料(结构钢)许用应力，能够保持驾驶过程中拖拉机的强度和刚度，保证结构的安全。

3.2用户美观评价试验

农用拖拉机的造型还需要满足大部分用户的美观要求，故随机选择30位农用拖拉机的用户和30位设计者以问卷调查的方式对造型设计方案进行验证。筛选出具有代表性的10个感性词汇，分别是科技、高端、动感、大众、保守、低端、简洁、复杂、圆润、笨重，每位测试人员可以选择3个词汇进行描述，验证该拖拉机是否满足大部分用户轻便、动感的要求。问卷调查结果如表2所示。

由表2可知：选择最多的3个感性词汇分别是简洁、大众和动感。这说明，该农用拖拉机的造型基本符合用户的美观要求。

表2用户美观评价试验结果

4、结论

1)鉴于用户对于拖进机外观造型的要求不断提高，对农用拖拉机造型设计与应用进行了研究。拖拉机的整体造型采用逆向工程的方法进行设计，分为监控层、应用层、造型设计层和数据库。

2)农用拖拉机造型设计时，除了满足功能和美观的需要之外，在结构上还应具有足够的强度和刚度。通过对拖拉机的主要受力部分驾驶室和车架的结构进行有限元分析，保证了各部分强度低于材料的许用应力。

3)为了验证该农用拖拉机造型的合理性，对其进行强度校核试验和用户美观评价试验，结果表明：拖拉机的强度和刚度可保证结构的安全，且造型基本符合用户的美观要求。

参考文献:

[1]王超安.农机外形设计也应亮起来[J].企业之窗,2005(4):34-40.

[2]李伯虎,熊光楞,柴旭东,等.复杂产品虚拟样机工程的研究与初步实践[J].系统仿真学报,2002,14(3):336-339.

[3]杜平安,于德江,岳萍.虚拟样机技术的技术与方法体系研究[J].系统仿真学报,2007,19(15):3447-3451.

[4]苏春,黄卫,王海燕.数字化设计与制造[M].北京:机械工业出版社,2006:209-219.

[5]曹艳岩,肖勇,张时成,等.浅谈拖拉机车身设计[J].拖拉机与农用运输车,2002(3):40-42.