农业机械设计中空间薄壁杆系结构的有限元分析

徐广生

（信阳市农业机械化技术试验推广站，河南信阳 464000）

据了解，在现代农业机械设计中会经常遇到空间梁单元应力的相关计算。然而，这一计算过程是比较复杂的，尤其是关于封闭口截面的空间梁单元应力的计算，其计算过程更加繁琐。因此有必要对相关的计算过程进行适当的简化，以使农业机械的设计工作变得更加简便易操作。这对于农业机械设计工作以及后续农业事业的发展，都具有非常重要的意义。所以，本文将针对空间薄壁杆系有限元分析在农业机械设计中的应用进行研究，并且提出一些具有建设性的意见和对策。

1 农业机械设计工作当中应力计算的原因

在农业机械设计工作当中，之所以要对空间梁单元的应力进行计算，其主要的原因主要有以下几点。

1.1 应力分布比较复杂

根据一定的受力分析和研究不难发现，当空间梁单元的某个截面上受到力的作用时，其应力的分布是非常不均匀的，因此有必要进行应力的计算。如果在设计过程当中，研究的只是力的作用大小以及分布规律的话，相关的设计人员只需对杆端的受力情况进行分析即可达到研究目的。另外，由于截面的应力分布情况较为复杂，下一步应力的计算过程也十分繁琐，甚至还会出现不收敛的无解情况[1]。

1.2 杆端作用力的求解方法趋于成熟

就现阶段来说，国内农业机械设计工作中杆端作用力的求解方法已经趋于成熟。因此，在实际计算过程当中，为了避免遇到非常复杂的计算，可以利用已有且成熟的计算方法。另外，当空间薄壁杆系简化成杆单元时，其应力的分布和计算方式与截面有着不可分开的关系，相关的设计工作人员要注意这一点。

1.3 节点的应力计算不成立

农业机械产品在生产加工的过程当中，有一些比较特殊的空间薄壁杆系结构是需要进行焊接等加工工艺的。在这种情况之下，针对某些节点的应力计算非常复杂，一般在有限元的计算当中，这些节点应力的求解结果是不收敛的。

1.4 计算过程比较繁琐

即便可以进行相关的简化工作，但是空间梁单元截面上的应力分布情况复杂，计算过程也比较繁琐[2]。

2 农业机械设计工作中应力计算的方法

一般情况下，空间薄壁杆系结构截面上各节点的应力按如下公式[1]计算：

式中：{δ}e——单元内任意点的应力列阵；

δ0——拉压应力；

δb——xoy平面内的弯曲应力；

δd——xoz平面内的弯应力；

δτ——扭转应力；

[D]——与单元材料有关的弹性矩阵；

[B]——单元应变矩阵；

{ε}e——单元内任意点的应变列阵。

上述公式计算的是杆系结构截面上某个位置的应力矩阵，只是单一的计算结果。而想要得到整个截面的应力情况，还需要将其叠加累积。在实际的计算过程中，可以对计算模型结构进行适当简化，运用有限元计算方法求出杆端的应力值。再将这一数值代入上式，即可求出截面的应力分布情况。

在前文已经提及，那就是封闭截面的应力求值是一项比较困难的工作。因此，在实际的计算过程当中，同样也需要一定的简化操作。单论薄壁的封闭截面来说，约束扭转正应力的占据比例是比较少的，只有3%左右，对于这一部分的应力可以忽略。另外，约束扭转的剪应力占据的比例同样相对较小，也可以将其忽略。

3 有限元解算程序的编制

可以利用FORTRAN语言来进行有限元的解算程序的编制。但FORTRAN语言编制出来的解算程序的结构比较模块化，这种模块化的结构在某种程度上是浪费了一定的单元。但是这种“浪费”[3]所起到的效果也是比较客观的，其最重要的作用就是提高了计算的精度。在农业机械设计的工作中，最重要的一项工作就是保证计算结果的精度。因此，相关的工作人员一定要提升对于这项工作的认知，使得这项工作内容能够得到保证。

4 结论

本文对空间薄壁杆系结构有限元分析在农业机械设计中的应用进行了相关研究和分析。从文中所述的内容可知，当前在这项工作还有比较大的进步空间。例如，应力的分析和计算过程，以及计算过程中数值的计算精度等。因此，相关工作人员在后续的工作过程中要不断进行优化和完善，使其能够为这项工作带来更多的便利。