ADAMS在农业机械仿真设计中的应用.docx

ADAMS 在农业机械仿真设计中的应用赵玉成;滕红丽;顿文涛;赵小丽;贾树恒;李勉;袁超【摘 要】 在介绍 ADAMS 的基础上,针对我国农业机械发展的现状和趋势,阐述了 在农业机械仿真设计中应用 ADAMS 的典型案例,为 ADAMS 在农业机械仿真设计 中的应用拓宽思路.【期刊名称】 农业网络信息【年(卷),期】 2013(000)010【总页数】 4 页(P41-44)【关键词】 ADAMS;农业机械;农业现代化;仿真;虚拟样机【作 者】 赵玉成;滕红丽;顿文涛;赵小丽;贾树恒;李勉;袁超【作者单位】 河南省农业机械试验鉴定站,河南郑州 450008;河南农业大学,河南郑 州 450002;河南农业大学,河南郑州 450002;河南农业大学,河南郑州 450002;河南 农业大学,河南郑州 450002;河南农业大学,河南郑州 450002;河南农业大学,河南郑 州 450002【正文语种】 中 文【中图分类】 S126农业机械化水平是一个国家农业现代化水平的重要标志。我国的农业生产正逐步向 现代化农业迈进，对农业机械化水平的要求越来越高，农业机械正逐步向着自动化、 无人化、智能化的方向迈进。农业机械化是发展农业生产力、改善农业生产条件的重要环节，是实现农业现代化的重要手段1。在农业各部门中，最大限度地使用各种机械代替手工工具进行生产是农业现代化的 基本内容之一，如在种植业中，使用拖拉机、播种机、收割机、动力排灌机、机动 车辆等进行土地翻耕、播种、收割、灌溉、田间管理、运输等各项作业，使全部生 产过程主要依靠机械动力和电力，而不是依靠人力、畜力来完成。实现农业机械化， 可以节省劳动力，减轻劳动强度，提高农业劳动生产率，增强克服自然灾害的能力。 1 农业机械简介使用农业机械是现代农业的一个基本特征，对于利用资源、抗御自然灾害、推广现 代农业技术、促进农业集约经营、增加单产与总产、提高农业劳动生产率、降低农 产品成本，以及对于减轻农民劳动强度，都有着重大的作用。1.1 农业机械的定义与分类农业机械是指在作物种植业和畜牧业生产过程中，以及农、畜产品初加工和处理过 程中所使用的各种机械。农业机械属于相对概念，指用于农业、畜牧业、林业和渔 业所有机械的总称，农业机械属于农机具的范畴。推广使用农业机械称为农业机械 化。农业机械是个笼统的大概念，它包括的内容很多，按照各种农艺要求或涉及的方面 不同，划分的种类也不同，农业机械包括农用动力机械、农田建设机械、土壤耕作 机械、种植和施肥机械、植物保护机械、农田排灌机械、作物收获机械、农产品加 工机械、畜牧业机械和农业运输机械等，如图 1 所示。广义的农业机械还包括林 业机械、渔业机械和蚕桑、养蜂、食用菌类培植等农村副业机械。农业机械一般按 用途分类。其中大部分机械是根据农业的特点和各项作业的特殊要求而专门设计制 造的，如土壤耕作机械、种植和施肥机械、植物保护机械、作物收获机械、畜牧业 机械以及农产品加工机械等。图 1 农业机械分类示意图1.2 国内农业机械现状中国农业快速、稳步地发展离不开农业机械化。中国农业机械化经过多年的努力发 展，已经取得了不小的成就，农业机械化装备水平稳步提高，农田作业机械化水平 显著提高，农机服务领域不断拓展，农机作业向市场化、社会化服务发展，国际间 的农机技术交流与合作得到加强等等。但在我国农业机械化快速发展的过程中，仍 存在着一些问题，如地区之间农业机械化水平严重不平衡，农业机械装备总量不足、 结构不合理，农机门类品种上存在明显缺陷，有许多地区农民买不起、用不好和效 益差，农机服务组织化程度低、整体效益差，农业机械装备结构不合理，农机具科 研开发配套系统建设落后等。与国外相比，我国农业机械化发展相对落后2。今后，我国农业机械的发展将着 重进行结构调整，提高农机化整体素质和效益，开展科技创新，积极推广农业机械 化新技术，推动跨区作业，使跨区作业向规模化发展。1.3 农业机械的发展趋势中国农业机械化发展水平与发达国家相比有一定的差距，农业机械产品质量和技术 还有待进一步提高。随着国民经济实力的不断增强，传统农业将逐步向现代农业转 变，农业基础设施建设投入力度将进一步加大， 农村富余劳动力转移步伐将进一 步加快，农民摆脱繁重体力劳动的愿望将进一步增强，必将扩大对农业机械的需求。 农业机械的发展，与国家和农村的经济条件有直接的联系。在经济发达国家，比如 在农业劳动力很少的美国，农业机械继续向大型、宽幅、高速和高生产率的方向发 展，并在实现机械化的基础上逐步向生产过程的自动化过渡。农业机械的创新有特 殊性也有其普遍性3。电子技术、微型电子计算机技术等各种先进科学技术，在 农业机械产品及其设计制造中得到日益广泛的应用。2 ADAMS 在农业机械仿真设计中的应用长期以来，由于农业机械自身的特点和作业对象的复杂性，农业机械的研制过程中的理论分析和综合计算过程复杂，计算量大，依靠人工很难完成4。 Adams 可以 帮助研究农业机械运动部件的力量变化，在整个农业机械系统内，荷载和力量是如 何分配的，并改善和优化该农业机械系统的性能。2.1 ADAMS 简介ADAMS ，即机械系统动力学自动分析 (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems) ，该软件是美国 MDI 公司开发的虚拟样机分析软件。目前， ADAMS 已经被世界各行业许多主要制造商采用，占据了机械系统动态仿真软件 51%的市场份额5。 Adams 是全球运用最为广泛的机械系统仿真软件，用户可以 利用 Adams 在计算机上建立和测试虚拟样机，实现事实再现仿真，了解复杂机械 系统设计的运动性能。目前的 ADAMS 就是一套应用最为广泛的机械系统运动学 和动力学仿真软件6。2.2 Adams 功能2.2.1 完成现实和精确建模的预处理Adams 产品系列提供了交互式运动仿真软件模块。核心软件包允许从大多数主要 的 CAD 系统输入几何，或从头建立一个机械系统的实体模型。仿真原型一旦建成， Adams 检查模型，然后同步运行运动、静力，准静力和动态模拟方程。结果的形 式有图形，数据，图表，报告，丰富多彩的动画，可以与他人共同分享这些结果。 2.2.2 具备多个模块ADAMS 由 核心模块 ： ADAMSView， ADAMSSolver， ADAMS PostProcessor 和 其 他 模 块 组 成7。 Adams 内的几个模块可以用来完成 专门任务，取得较好的成果保真度。例如， Adams/Flex 可以用来研究灵活部分对 机构的影响， Adams/Controls 可用于建模控制系统，如液压，气动，电子和其 他系统。针对行业的特定需求， Adams 还提供了一系列量身定制的模块。数个接 口模块可以探索 CAD 设计的运动，而不必离开熟悉 CAD 接口或把数据传输到Adams 中。 ADAMS 软件的模块组成，如图2 所示。图 2 ADAMS 的模块组成示意图2.2.3 可靠成熟的解决方案，确保建立仿真原型成功Adams，Adams/Car 及其附加模块是目前世界上使用最广泛的多体动力学软件。 从汽车和航空到风力发电和生物力学， Adams 是一个行之有效的解决方案，能够 帮助几乎所有各行业的公司节省时间和金钱，提高产品质量，补充甚至取代物理样 机和测试性能。2.3 ADAMS 在农业机械仿真设计中的应用随着计算机技术的不断发展，借助 ADAMS 软件可以对机构的运动进行仿真分析， 在虚拟的环境下确定构件的运动情况，检验构件是否干涉以及执行件的运动是否符 合期望的运动规律等，不仅得到的结果直观可靠，而且工作效率大大提高8。我 国在农业机械领域基于 ADAMS 的仿真设计已有了广泛的应用和推广，下面列举 了一些国内的研究成果和典型应用。马斌强等9以 ADAMS 软件为平台，利用 ADAMS/View 模块和ADAMS/Hydraulics 模块建立了平行杆翻转液压举升机构的机-液耦合仿真模型， 并以液压系统的油缸最大举升力为优化目标对举升机构的机-液耦合模型进行优化 设计，得到了液压缸安装支点的最佳布置方案以及合适的液压泵流量。经过优化的 举升机构，油缸举升力和举升平台的速度随举升角的变化幅度变得平缓，且油缸的 最大举升力显著下降。在载荷一定时，合理地选择液压油缸的活塞杆和油缸的支点 位置，对液压油缸的设计具有十分重要的现实意义10。有学者以拖拉机液压输出作为动力源设计了一种液压激振式马铃薯收获机挖掘装置， 应用 SolidWorks 和 ADAMS 软件建立了虚拟样机模型，在 ADAMS 中进行了虚 拟试验，虚拟试验结果验证了设计的正确性，试验表明，设计的液压激振式马铃薯 收获机挖掘装置具有振幅和频率调整方便的特点。在农业机械领域，基于 ADAMS 软件，已经提出了一种对联合收割机振动筛进行 虚拟设计的方法，在 ADAMS 中建立了振动筛的模型，并进行了动态仿真分析 11。将欠驱动技术应用于农业采摘领域，欠驱动手指作为水果采摘机器人的末端执行器. 对手爪的抓取力进行了分析，利用 Pro/E 完成对苹果采摘机械手的虚拟设计与装 配；利用 ADAMS 对机械手进行运动学、动力学仿真，获得其速度、加速度和接 触力的变化情况曲线，仿真结果表明，机械手的设计符合要求，并为实现机械手的 控制提供了重要依据。为了达到液态施肥机高速作业的目标，试验设计了一种运动平稳的椭圆齿轮行星系 作为液态施肥机的扎穴机构。应用三维造型设计软件 Pro/E ，绘制机构各零部件模 型并装配，通过改变保存文件的类型实现 Pro/E 与 ADAMS 数据交换。在 ADAMS 中建立机构虚拟样机和运动学仿真，得到扎穴机构针尖的运动轨迹并进行 分析。结果表明，应用虚拟样机技术可以实现扎穴机构的快速设计、准确分析，提 高了设计速度，减少了设计成本。3 结束语农业机械在农业经济和农业的发展中始终处于十分重要的地位，如何提高农业机械 行业水平，推动农业整体发展，向现代化农业转型，提高农业在国际竞争激烈的巨 大市场中的生存和加强农业在社会主义现代化建设事业中的支柱作用一直是中国的 首要问题，而加快科技进步，提高技术创新能力是搞好农业机械建设与发展的一项 重要措施12。在我国，传统的农业机械装备开发过程要经过样机设计、样机试制、 田间试验、改进设计、再试验等多个步骤，并且传统的农业机械的设计很大一部分 是凭借经验进行类比设计，很多设计参数靠设计人员的经验决定，一般只进行静态 分析而不注重动态特征的分析，严重制约了产品质量的提高13。运用 ADAMS 软件和相关技术，可以大大简化农业机械仿真设计和开发过程，大幅度缩短农业机械系统开发周期和降低开发费用，提高产品的性能和质量，从而获得最优化和创新 的设计产品。参考文献1陈疆,师帅兵,侯俊才,徐杰.我国数字农业与农业机械的发展J.农机化研 究,2005,(3)：21-23. 2李宏,张建荣.农业机械数字化设计与制造技术的应用J.农业装备技 术,2007,33(6)： 34-37. 3赵匀.农业机械现代设计方法综述J.东北农业大学学报,2012,43(2)： 1-5. 4王长春.基于 ADAMS 的虚拟样机技术及其在农业机械上的应用J.农机化研 究,2007,(9)： 184-186.5郝云堂,金烨,季辉.虚拟样机技术及其在 ADAMS 中的实践J.机械设计与制 造,2003,(3)： 16-18.6陶峰.ADAMS 虚拟样机技术在机械原理教学中的应用J.化工高等教育,2005,(2)： 103-104.7余联庆,梅顺齐,杜利珍,饶成.ADAMS 在机械系统仿真技术教学中的应用J.武汉 科技学院学报,2008,21(3)： 5-8. 8顿文涛,赵玉成,马斌强,谷小青,卢琳,袁超,路康.基于 ADAMS 的导杆串联滑块机 构的仿真设计J.河南农业大学学报,2013,47(3)： 301-305. 9马斌强,赵玉成,郭洁,路康,顿文涛,谷小青,袁超.基于 ADAMS 的机-液耦合举升机 构的优化设计 J.河南农业大学学报,2013,47(2)： 158-161. 10马斌强,顿文涛,郭洁,谷小青,贾芳,李佳,袁超.基于 ADAMS 的平行四连杆液压举 升机构的仿真设计J.河南农业大学学报,2012,46(6)：664-667. 11赵玉成,贾树恒,顿文涛,崔如芳,马斌强,李勉,袁超.基于 ADAMS 的虚拟样机技术 的发展与应用 J.农业网络信息,2013,(8)：40-42.12岳学军,李重根,郑丽艳.用 CIMS 改造传统的农业机械J.计算机与农业,2001,(5)： 1-4. 13马斌强,顿文涛,郭延廷,李勉,豆根生,郑丹,袁超.虚拟样机技术及其在农业机械系 统中的应用J.科技信息,2011,(1)： 105-106.