現(xiàn)代機(jī)械工程有限元法的應(yīng)用分析

1、現(xiàn)代機(jī)械工程有限元法的應(yīng)用分析【摘要】有限元法是跟隨信息技術(shù)的廣泛運(yùn)用而迅速發(fā)展的新型CAE技術(shù)，可用于多種類 型的科學(xué)運(yùn)算與探析。本文首先介紹了有限元法的操作步驟和優(yōu)勢(shì)，闡述了有限元法的發(fā)展 現(xiàn)狀，然后分析了有限元法在現(xiàn)代機(jī)械工程方面的應(yīng)用，最后探討了有限元軟件未來的發(fā)展 趨勢(shì)?！娟P(guān)鍵詞】現(xiàn)代；機(jī)械工程；有限元法；應(yīng)用在目前社會(huì)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的趨勢(shì)下，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)愈演愈烈，為了在競(jìng)爭(zhēng)中獲取最大的優(yōu)勢(shì)， 許多企業(yè)都在爭(zhēng)先恐后地研發(fā)高質(zhì)量、低投入的商品，以求在短期內(nèi)占領(lǐng)市場(chǎng)。當(dāng)前大環(huán)境 下計(jì)算機(jī)技術(shù)越來越普及，有限元法也由本來的工程強(qiáng)度計(jì)算解析拓展到更多領(lǐng)域中，變成 了形式多樣、運(yùn)用廣泛的高實(shí)用性數(shù)據(jù)

2、解析法。有限元法對(duì)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)與研發(fā)，都有著明顯 的優(yōu)勢(shì)。一、有限元法的操作步驟和優(yōu)勢(shì)（一）物體分散化把需要解析的目標(biāo)分散成有限的單元，單元數(shù)目依據(jù)實(shí)際需求及運(yùn)算精確度而定。通常 情況下，單元分散得越細(xì)致，對(duì)其變形情況的描繪就越準(zhǔn)確。而越是接近其實(shí)際變形值，則 運(yùn)算量就越大。（二）單元特征解析解析單元特征首先是要選取位移方式。在有限元法的運(yùn)用過程中，一般采取位移法，也 就是先挑選合適的位移方式或稱位移函數(shù)，接著探析單元的力學(xué)性質(zhì)，再結(jié)合單元的材料性 能、外觀、大小、節(jié)點(diǎn)數(shù)量、方位、內(nèi)容等，找到單元節(jié)點(diǎn)力以及節(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系式， 即引出單元強(qiáng)度矩陣，這也是解析過程中最為核心的一個(gè)環(huán)節(jié)。最后，對(duì)等

3、效節(jié)點(diǎn)力進(jìn)行運(yùn) 算，把單元邊界上的所有表層力、體積力、匯集力等，全部均勻地移動(dòng)至節(jié)點(diǎn)之上，換句話 講，就是以等效節(jié)點(diǎn)力替換當(dāng)前作用在單元上的力。（三）單元組合運(yùn)用結(jié)構(gòu)力學(xué)中的平衡條件與邊緣條件，將每個(gè)單元按照其本來的構(gòu)造重新組合起來， 最終形成具有一定強(qiáng)度的整體單元矩陣。（四）計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的位移情況解出有限元方程，計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的具體位移情況，最后再依據(jù)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際位移算出所有的 未知數(shù)據(jù)?？偟恼f來，有限元法是計(jì)算常微分和偏微分方程的有效途徑。從理論層面看，只要是可 以劃分為解算微分方程的相關(guān)工程問題，都能夠采用有限元法進(jìn)行處理。所以，有限元法能 實(shí)現(xiàn)構(gòu)造、熱能、電波、流體、聲學(xué)等領(lǐng)域問題的計(jì)算和解

4、析。有限元法和其他常規(guī)力學(xué)解析法比起來，具備很多優(yōu)勢(shì)。第一，能夠解析外觀極為復(fù)雜 的、質(zhì)地不均勻的各類現(xiàn)實(shí)工程構(gòu)造。第二，能夠在運(yùn)算過程中重現(xiàn)各類繁雜的材料本體構(gòu) 造關(guān)系、負(fù)載與條件。第三，能夠?qū)崿F(xiàn)構(gòu)造的動(dòng)能解析運(yùn)算。第四，隨著前處理與后處理技 術(shù)的迅速發(fā)展，有限元法已能夠?qū)Υ罅糠桨高M(jìn)行對(duì)比解析，并能在短時(shí)間內(nèi)以圖形的方式呈 現(xiàn)出運(yùn)算結(jié)果，據(jù)此對(duì)工程方案實(shí)行進(jìn)一步優(yōu)化。二、有限元法的發(fā)展現(xiàn)狀有限元法最開始是運(yùn)用于解決構(gòu)造的平面問題，而發(fā)展到今天，已經(jīng)從二維問題的處理 拓展到三維問題的處理，從靜力學(xué)角度延伸到了動(dòng)力學(xué)角度，從構(gòu)造力學(xué)擴(kuò)充為流體力學(xué)、 熱能學(xué)、電磁學(xué)等領(lǐng)域，從線性問題轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷€性問

5、題，從彈性原料拓展到彈塑性、粘彈性、 復(fù)合原料等。從航空技術(shù)層面拓展到土木工程、水電工程、機(jī)械制作、電子技術(shù)等，從單個(gè) 物理場(chǎng)運(yùn)算拓展為多個(gè)物理場(chǎng)運(yùn)算。在發(fā)展過程中，有限元法的深度與廣度都得到了很大的 提升。有限元法的發(fā)展歷程和計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用關(guān)系密切，只有先讓計(jì)算機(jī)技術(shù)廣泛普及開來， 才能夠?qū)崿F(xiàn)有限元法的迅速發(fā)展。對(duì)于一個(gè)較為復(fù)雜的方程問題，曾經(jīng)要利用小型計(jì)算機(jī)耗 費(fèi)幾天時(shí)間才能算出結(jié)果，而現(xiàn)在運(yùn)用PC機(jī)，只要數(shù)小時(shí)就可完成。商業(yè)有限元軟件原本 只能在大中型計(jì)算機(jī)上運(yùn)用，而如今也能夠在PC平臺(tái)上順利運(yùn)行?？梢灶A(yù)見，隨著信息技 術(shù)逐步發(fā)展，有限元法的運(yùn)用范圍還會(huì)繼續(xù)擴(kuò)大，最終成為工程技術(shù)領(lǐng)域最

6、為有效的數(shù)據(jù)運(yùn) 算工具之一。三、有限元法在現(xiàn)代機(jī)械工程方面的應(yīng)用機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制作具有以下三大特征：第一，普通機(jī)械產(chǎn)品一般是批量生產(chǎn)，數(shù)量 較大，在操作過程中可以不斷改良。第二，許多機(jī)械產(chǎn)品樣機(jī)的試用成本不高，且相較于計(jì) 算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)而言更為穩(wěn)定。第三，大部分機(jī)械產(chǎn)品和零部件都是在目前已有的同種產(chǎn)品和 零部件基礎(chǔ)上實(shí)行修改或相似的設(shè)計(jì)。因此，有限元法在機(jī)械工程中的運(yùn)用相比之下并不多， 通常情況下，有限元法只是針對(duì)產(chǎn)品內(nèi)部的重要零部件或是具有特殊性的零件實(shí)行有限元分 析。然而，目前市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越來越激烈，如今的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制作已經(jīng)無法脫離有限元法的 支撐?，F(xiàn)階段，有限元法對(duì)于機(jī)械工程領(lǐng)域的運(yùn)用主

7、要可以分為以下幾類。（一）靜力學(xué)分析這類分析是對(duì)二維或者三維機(jī)械構(gòu)造所承擔(dān)的應(yīng)力與變形情況的解析，是有限元法在機(jī) 械工程領(lǐng)域最根本，最實(shí)用的解析方法。如果施加在構(gòu)造上的負(fù)載力不會(huì)隨著時(shí)間推移而變 化，或是變化極為緩慢，就可以采用靜力學(xué)進(jìn)行解析。（二）模式分析這種分析法也是動(dòng)力學(xué)解析法的其中之一，主要用于研究構(gòu)造的自有頻率等震動(dòng)特征。 運(yùn)用模式分析法進(jìn)行解析時(shí)，所承擔(dān)的負(fù)載力必須屬于位移負(fù)載或是預(yù)應(yīng)力負(fù)載。（三）熱應(yīng)力分析熱應(yīng)力分析主要可用于探究構(gòu)造的溫度。當(dāng)構(gòu)造溫度與裝置溫度出現(xiàn)差異，或運(yùn)作過程 中構(gòu)造內(nèi)部溫度不均時(shí)，就可以采用熱應(yīng)力分析法。（四）接觸分析這種分析法屬于非線性分析，能夠用于分析

8、兩個(gè)構(gòu)造物產(chǎn)生碰撞時(shí)的接觸面形態(tài)、法向 力等要素。在機(jī)械構(gòu)造中，其基本構(gòu)造和間力的傳輸大多是利用觸碰而得以實(shí)現(xiàn)，因此有限 元法在機(jī)械構(gòu)造領(lǐng)域的運(yùn)用通常都可采用接觸分析法。（五）屈曲分析屈曲分析屬于幾何非線性解析法，能夠用于判斷構(gòu)造出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象時(shí)的極限負(fù)載力與 屈曲模式狀態(tài)，比如壓桿穩(wěn)定性等有關(guān)問題。四、有限元軟件未來的發(fā)展趨勢(shì)工作人員在利用有限元技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)解析時(shí)，通常是運(yùn)用商業(yè)有限元軟件。所以，商業(yè) 有限元軟件的質(zhì)量會(huì)直接影響到數(shù)據(jù)解析的效果。目前已開發(fā)了許多大型商業(yè)有限元軟件， 而這些軟件大部分都能夠有效計(jì)算出前處理和后處理的結(jié)果。但是，仍有一些軟件缺乏較高 的模擬性、真實(shí)性和適用性，當(dāng)

9、前計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展以及新型工程需求的提高，使得有 限元軟件市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)更加白熱化，要面對(duì)這一系列挑戰(zhàn)，有限元軟件在未來的發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)包 括如下幾點(diǎn)：第一，從單個(gè)物理場(chǎng)探究轉(zhuǎn)為多個(gè)物理場(chǎng)聯(lián)合模擬與相互作用探究，比如，氣 流流經(jīng)一座較高的鐵塔，該鐵塔可能會(huì)變形，而鐵塔變形又會(huì)影響到氣流的動(dòng)態(tài)，所以要采 用構(gòu)造一流體的綜合解析。第二，從單個(gè)零部件模擬轉(zhuǎn)變?yōu)檎麄€(gè)機(jī)械的模擬。第三，提升非 線性問題的處理水平。材料科學(xué)逐步發(fā)展，研制出了許多性能較為特別的新型材料，而目前 已有的非線性解析工具還亟待進(jìn)一步改善。第四，在有限元法持續(xù)改良的前提下，朝著優(yōu)化 設(shè)計(jì)、穩(wěn)定性解析以及其他功效評(píng)測(cè)的方向前行。第五，強(qiáng)化設(shè)計(jì)和制作過程中的數(shù)據(jù)集合 與轉(zhuǎn)變，朝著CAD/CAM聯(lián)合集成的目標(biāo)發(fā)展，也就是在CAD軟件上進(jìn)行外觀設(shè)計(jì)，自動(dòng)組 成有限元網(wǎng)格并展開運(yùn)算，若解析結(jié)果不能滿足設(shè)計(jì)需求，則可以進(jìn)行再次設(shè)計(jì)。第六，朝 著智能化、本地化、便利化的方向發(fā)展，繼續(xù)強(qiáng)化前處理與后處理過程中的可視化功效與數(shù) 據(jù)傳輸功效，降低數(shù)據(jù)處理所需的時(shí)間，提高操作效率。結(jié)束語從目前看來，有限元法依舊處在探索和初級(jí)發(fā)展階段，合理運(yùn)用有限元法，能夠提升企 業(yè)設(shè)計(jì)效率，改良設(shè)計(jì)方案，推動(dòng)新產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)度?，F(xiàn)在，已經(jīng)有許多企業(yè)與相關(guān)人員對(duì)有 限元法引起了重視，認(rèn)為有限元技術(shù)能夠帶來極大的生產(chǎn)力，并且