有限元分析技術(shù)在冶金機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

王秋鵬

(西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710014)

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有限元分析技術(shù)在冶金機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

王秋鵬

(西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710014)

在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展下，有限元分析技術(shù)被廣泛的應(yīng)用到冶金機(jī)械設(shè)計(jì)當(dāng)中，對冶金機(jī)械設(shè)計(jì)起到了關(guān)鍵性的作用。介紹了有限元分析技術(shù)的特點(diǎn)，充分了解有限元分析技術(shù)的發(fā)展趨勢和價(jià)值所在，進(jìn)而分析有限元分析技術(shù)在冶金機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

有限元分析技術(shù)；冶金；機(jī)械設(shè)計(jì)

在冶煉工業(yè)發(fā)展中，冶金機(jī)械設(shè)計(jì)是非常重要的一個環(huán)節(jié)，通過科學(xué)的設(shè)計(jì)冶煉工序，將有色重金屬進(jìn)行提煉，提升機(jī)械設(shè)計(jì)的水平，將提升冶煉技術(shù)的效果。在傳統(tǒng)的冶金機(jī)械設(shè)計(jì)中，很多零件的數(shù)據(jù)極容易出現(xiàn)誤差，影響設(shè)計(jì)結(jié)果，這些誤差利用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)辦法很難避免，由于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方面很難做到精細(xì)、準(zhǔn)確。在冶金機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用有限元分析技術(shù)，就能夠很好的避免這些問題，將每個零件在最大限度內(nèi)確保數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)，使機(jī)械設(shè)計(jì)更加合理，提升機(jī)械使用的效率和機(jī)械設(shè)備的使用年限，同時，降低冶金技術(shù)對周圍環(huán)境產(chǎn)生的污染。

1 有限元分析技術(shù)的基本介紹

1.1有限元分析技術(shù)的概念

我們可以這樣看，有限元分析是運(yùn)用某種數(shù)學(xué)近似法，對真實(shí)的物理系統(tǒng)進(jìn)行模擬。利用簡單模型、相互關(guān)聯(lián)的元素和固定數(shù)量的未知數(shù)對無限未知的系統(tǒng)進(jìn)行還原。有限元分析的方法可以將每個復(fù)雜的問題變成簡單的問題，對這些簡單的小問題進(jìn)行推測、解答，推測出求解這個未知數(shù)的條件，為機(jī)械設(shè)計(jì)提供更加精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，從而提升機(jī)械設(shè)計(jì)的效率。

1.2有限元分析技術(shù)的特征

有限元是將具有連續(xù)性分散的單元進(jìn)行重新組合，有限元分析技術(shù)主要是為了求解最小的子域。在傳統(tǒng)的求解方式中，對整體的定義域進(jìn)行求解，這就要求滿足整體定義域內(nèi)的所有條件，這就增加了求解的難度，極容易出現(xiàn)各種錯誤。無論是對子域求解，還是對整體定義域求解都無法提供準(zhǔn)確的計(jì)算，但是有限元分析方法對子域的求解能夠無限的接近真實(shí)的數(shù)據(jù)，對小單元進(jìn)行求解，進(jìn)而推測出滿足整體定義域的條件，將整個計(jì)算更加準(zhǔn)確，進(jìn)而提高機(jī)械設(shè)計(jì)的效果。在冶金機(jī)械設(shè)計(jì)過程中，有限元分析的方法是利用函數(shù)在簡單的子域內(nèi)進(jìn)行求解，這求解過程不需要考慮整體定義域的條件，這種求解方法更加簡單、方便，更加精準(zhǔn)[1-2]。

2 有限元分析技術(shù)的發(fā)展趨勢

2.1能夠使軟件進(jìn)行無縫銜接

目前，有限元分析軟件和CAD制圖軟件相互結(jié)合使用，產(chǎn)生了非常好的效果。利用CAD制圖軟件完成機(jī)械設(shè)備中零部件的改造工作，將改造后的數(shù)據(jù)輸送到原來的軟件模型，將設(shè)計(jì)好的軟件模型數(shù)據(jù)放到特定的軟件中，對其進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算和分析，查看分析結(jié)果。如果最后的結(jié)果符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，停止進(jìn)行操作，上交相應(yīng)的數(shù)據(jù)；如果分析的結(jié)果與預(yù)計(jì)結(jié)果相差很遠(yuǎn)，需要對其進(jìn)行重新調(diào)整，直到符合要求。通過對有限元分析軟件的不斷完善，能夠很好的解決機(jī)械設(shè)計(jì)中的軟件應(yīng)用。舉例說明一下，CAD制圖軟件能夠與有限元分析技術(shù)進(jìn)行融合，達(dá)到無縫連接，對數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確傳遞。

2.2設(shè)置全新的網(wǎng)格處理技術(shù)

在有限元分析技術(shù)處理問題的過程中，很容易出現(xiàn)問題。處理的內(nèi)容主要有離散化的分析對象、有限元的簡單求解和分析結(jié)果。一般情況下，離散化的分析數(shù)據(jù)與網(wǎng)格質(zhì)量息息相關(guān)。在分析數(shù)據(jù)中，大多數(shù)的軟件設(shè)計(jì)無法滿足要求，只有很少的一部分滿足。因此，提升網(wǎng)格處理能力，最好的方式就是對網(wǎng)格進(jìn)行重新自動化分割，然后重新組合。

2.3將程序進(jìn)行大范圍的開放

科學(xué)技術(shù)的提升，很多企業(yè)都在進(jìn)行市場擴(kuò)張，緊跟市場的趨勢，滿足用戶提出的要求，增加對軟件功能的研究，進(jìn)而增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)研發(fā)的新軟件應(yīng)用到實(shí)際操作中，很難滿足所有用戶的需求，這也就是說，需要對軟件進(jìn)行進(jìn)一步的擴(kuò)充。

2.4將求解問題的難度加大

社會進(jìn)步的腳步加快，當(dāng)下的線性理論求解很難滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求，應(yīng)用線性理論后，出現(xiàn)很多材料的浪費(fèi)、資源的破壞，很多問題無法解決。利用線性理論進(jìn)行解決的問題相對較簡單，為了解決某些復(fù)雜的問題，需要依靠非線性理論。由于非線性理論相對比較難，應(yīng)用起來相對有些難度，求解的過程也相對比較復(fù)雜，因此，需要利用某些特殊的方式求解非線性問題。

3 有限元分析技術(shù)的價(jià)值體現(xiàn)

當(dāng)前，有限元分析技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到設(shè)計(jì)流程中，也就是說，有限元分析技術(shù)應(yīng)用到設(shè)計(jì)流程中每個部件、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在某些階段，對于設(shè)計(jì)概念沒有詳細(xì)的介紹，只是簡單的評價(jià)。在機(jī)械設(shè)計(jì)的過程中，利用數(shù)字樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行分析，也就是將原來的分析過程添加到計(jì)算機(jī)中，在計(jì)算機(jī)上對驗(yàn)證進(jìn)行測試，測試出相應(yīng)的結(jié)果，觀察其結(jié)果是否符合相關(guān)要求，然后進(jìn)行下一項(xiàng)測試，如果測試合格后，馬上投入生產(chǎn)。有限元分析技術(shù)將提高機(jī)械設(shè)計(jì)的效率，同時，能夠給企業(yè)帶來豐厚的利潤。

當(dāng)前，市場競爭非常激烈，需要展現(xiàn)出核心的競爭優(yōu)勢。核心競爭優(yōu)勢有產(chǎn)品本身的質(zhì)量、生產(chǎn)的成本和市場營銷的時間。有限元技術(shù)應(yīng)用在這幾個方面的優(yōu)勢：

1) 能夠縮短生產(chǎn)的時間。由于機(jī)械設(shè)備的建模和造型都是在計(jì)算機(jī)中完成，通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整計(jì)算機(jī)的模型，從而減少生產(chǎn)模型的時間，增加使用的年限；

2) 減低整體的投資費(fèi)用。由于有限元分析技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)，這種效果能夠減少有限元分析技術(shù)的投資；

3) 提升產(chǎn)品自身的質(zhì)量。利用先進(jìn)的技術(shù)對其進(jìn)行優(yōu)化處理，提升整個產(chǎn)品本身的效果。

4 有限元分析在冶金機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

4.1模型簡化處理

有限元分析技術(shù)是在計(jì)算機(jī)的模型分析基礎(chǔ)上建立的，如果計(jì)算機(jī)模型處理的好，有限元分析技術(shù)應(yīng)用的效果就非常好。冶金機(jī)械設(shè)計(jì)的模型結(jié)構(gòu)非常的復(fù)雜，需要從動、靜兩個方面進(jìn)行分析。想要將一個模型進(jìn)行簡化處理，首先要判斷這個問題的性質(zhì)，是屬于線性結(jié)構(gòu)還是非線性結(jié)構(gòu)，是動力學(xué)問題還是靜力學(xué)問題，分析出來后，再根據(jù)不同的方法進(jìn)行正確的處理，進(jìn)而得出相應(yīng)的結(jié)果[3]。比如：在進(jìn)行動力分析的過程中，不適宜采用振型疊加法和周期載荷的富力埃級數(shù)展開的方式進(jìn)行求解；對于某個變化或者某個關(guān)系式和時間有所關(guān)聯(lián)，就可以按照動力問題進(jìn)行求解。

一般情況下，冶金機(jī)械設(shè)計(jì)都是一個相對比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，首先要分析這個結(jié)構(gòu)的特征，對這個結(jié)構(gòu)的每個部分進(jìn)行詳細(xì)的剖析，按照適合的方式進(jìn)行簡化處理，進(jìn)而進(jìn)行合理的計(jì)算[4]。切記胡亂的進(jìn)行簡化，比如：利用不抗彎的膜代替抗彎曲的板，利用桿代替梁，將三維立體的塊狀物體比作軸對稱的球體等等問題，這些問題都會造成模型計(jì)算的誤差。在結(jié)構(gòu)簡化的過程中，必須嚴(yán)格的按照力學(xué)概念進(jìn)行簡化，操作人員必須對力學(xué)中的桿、板、三維圖形等等問題有準(zhǔn)確的了解，同時，還要了解他們所應(yīng)用的限制條件，在模型簡化中做到精準(zhǔn)，提高后期模型計(jì)算效果。

目前，在靜力分析模型中，已經(jīng)取得效果的技術(shù)包括：燒結(jié)混料機(jī)的有限元分析與剩余壽命研究、帶式燒結(jié)機(jī)新型星輪有限元分析、燒結(jié)機(jī)臺車卡倫軸承有限元分析等等。

4.2結(jié)構(gòu)解體的規(guī)模變小

冶金機(jī)械設(shè)計(jì)隸屬于大型工程中，對于這類大型工程中所采用的構(gòu)件數(shù)量比較多，形態(tài)比較復(fù)雜。為了能夠得到非常準(zhǔn)確的結(jié)果，需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解，分解成很多簡單的小單元，由于這個大型結(jié)構(gòu)的求解中涵蓋了很多個小節(jié)點(diǎn)，方程式的規(guī)模也比較龐大。在進(jìn)行計(jì)算的過程中，即使計(jì)算機(jī)能夠滿足所有的條件，但是需要花費(fèi)大量的費(fèi)用。在這種情況下，在精準(zhǔn)化求解的條件下，如何減少花費(fèi)的費(fèi)用，成為了冶金機(jī)械設(shè)計(jì)人員一直努力研究的課題。

經(jīng)過無數(shù)設(shè)計(jì)人員的付出，有了突破性的進(jìn)展。在機(jī)械設(shè)計(jì)中，可以利用結(jié)構(gòu)的對稱性、周期性等固有的特點(diǎn)將問題的規(guī)模變小，分解成無數(shù)個小單元。在冶金機(jī)械設(shè)計(jì)中，需要設(shè)計(jì)出很多零部件，比如：發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子、空氣壓縮機(jī)的葉輪等等，如果這些零件的設(shè)計(jì)都能夠按照科學(xué)的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，將能夠保障整個冶金機(jī)械設(shè)計(jì)的效果。對設(shè)計(jì)中所有的零部件進(jìn)行整體的分析，不僅要花費(fèi)大量的人力，還需要大量的物力，同時也很難保證其精準(zhǔn)度。因此，如果利用這些零件結(jié)構(gòu)自身的特點(diǎn)，選擇某個周期對其進(jìn)行分析，所花費(fèi)的工作量將大大減少。特別是對于這類工程量非常大的模型，在模型中有很多相同的零部件，只要對其中一個進(jìn)行分析，就能得出相應(yīng)的結(jié)果。目前求解的方法有多重靜力子結(jié)構(gòu)合動力子結(jié)構(gòu)，利用這兩種方法可以在某種程度上減少費(fèi)用。針對大型工程問題求解還有一種方法就是逐步“鉆心技術(shù)”，這種設(shè)計(jì)方法需要先利用粗網(wǎng)格模型的方式將整個結(jié)構(gòu)進(jìn)行粗略分析，緊接著對局部進(jìn)行細(xì)化分析，將粗分析的結(jié)果當(dāng)做邊界條件。如果計(jì)算出的結(jié)果和所設(shè)定的結(jié)果有所差距，就需要對局部模型中的某個零件進(jìn)行詳細(xì)的分析，根據(jù)粗分析的結(jié)果作為這個局部零件的邊界條件，再次進(jìn)行精準(zhǔn)的求解，希望能夠接近設(shè)計(jì)的結(jié)果。對于每次局部某個區(qū)域進(jìn)行分析，所使用的計(jì)算量就會大大降低，這樣就能提高計(jì)算的精準(zhǔn)度。

4.3降低設(shè)計(jì)成本

傳統(tǒng)的冶金機(jī)械設(shè)計(jì)中，需要有大量的設(shè)計(jì)資料和豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，才能研發(fā)出一個新的設(shè)計(jì)產(chǎn)品，這種方式很難開發(fā)出新得機(jī)械設(shè)計(jì)，對于提升產(chǎn)品的性能所起的作用也是微乎其微，同時，利用原來的方法需要花費(fèi)更多的研發(fā)經(jīng)費(fèi)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，將有限元分析技術(shù)應(yīng)用到冶金機(jī)械設(shè)計(jì)中，不僅提高了計(jì)算的效率，減少了人力、物力的投入，更加增大的經(jīng)濟(jì)收益。由于有限元分析技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢，在某種程度上提高了機(jī)械設(shè)計(jì)的效果，受到了很多機(jī)械設(shè)計(jì)業(yè)內(nèi)人士的喜愛。因此，人才和科技的優(yōu)勢決定了國際競爭市場的地位，將有限元分析技術(shù)應(yīng)用在冶金機(jī)械中，大大的提升了我國冶金機(jī)械工業(yè)的水平，同時，推動了我國工業(yè)生產(chǎn)的能力。

5 總 結(jié)

在冶金機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用有限元分析技術(shù)，不僅提升了企業(yè)的設(shè)計(jì)效率，使設(shè)計(jì)方案得到優(yōu)化，將開發(fā)新產(chǎn)品的時間減少，更加降低了機(jī)械設(shè)計(jì)研發(fā)的投入。雖然我國很多很多機(jī)械生產(chǎn)企業(yè)仍在使用過去的設(shè)計(jì)技術(shù)，但是有限元分析技術(shù)受到了整個冶金機(jī)械設(shè)計(jì)工作者的喜愛，相信隨著有限元分析技術(shù)的不斷完善，有限元分析技術(shù)在我國機(jī)械的應(yīng)用中將得到廣泛的應(yīng)用，繼而推動我國工業(yè)的發(fā)展水平，提升我國國民的經(jīng)濟(jì)水平。

[1] 趙雷, 張一夫. 有限元分析技術(shù)在冶金機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用剖析[J]. 機(jī)械化工, 2015(12).

[2] 賀曉輝. 冶金設(shè)備有限元分析技術(shù)的應(yīng)用[J]. 礦業(yè)工程, 2016(6).

[3] 程勇高, 林元琦. 有限元分析技術(shù)在冶金設(shè)備設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. CAD/CAM與制造業(yè)信息化, 2012(9).

[4] 廖云祥. 冶金機(jī)械設(shè)計(jì)中有限元分析技術(shù)的應(yīng)用[J]. 企業(yè)技術(shù)開發(fā), 2013(3).

AnApplicationinMetallurgicalMachineryDesignofFiniteElementAnalysisTechnology

WANG Qiupeng

(Xi’anRailwayVocationalTechnicalInstitute,Xi’an,Shanxi710014,China)

Under the development of computer network technology, the finite element analysis technology has been widely applied to metallurgical machinery design, as plays a key role in metallurgical machinery design. This article first introduces the characteristics of the finite element analysis technology. It fully tells of the development trend and value of finite element analysis technology with its analyses of the application of finite element analysis technology in metallurgical machinery design to make metallurgical machinery technology to a new step.

Finite element analysis technology; Metallurgy; Mechanical design

2016-09-05

王秋鵬(1980-)，男，河南濟(jì)源人，副教授，研究方向：冶金機(jī)械設(shè)計(jì)，手機(jī)：18066533110，E-mail:418812152@qq.com.

TH122

：Bdoi：10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.04.041