有限元法在機(jī)械結(jié)構(gòu)誤差分析中的應(yīng)用

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)手段和經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，生產(chǎn)、生活的機(jī)械化和智能化已經(jīng)成為大勢所趨。在設(shè)計(jì)、使用過程中機(jī)械化必然會產(chǎn)生誤差，如何規(guī)避、減小誤差是保證機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的誤差分析方法已經(jīng)不能夠滿足社會發(fā)展的需求，有限元法的出現(xiàn)有效解決了機(jī)械結(jié)構(gòu)誤差分析的棘手問題。本文簡要分析了有限元法在機(jī)械機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用，希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)從業(yè)人員提供參考。

關(guān)鍵詞：有限元法；誤差分析；機(jī)械結(jié)構(gòu)

上世紀(jì)五十年代，Turner、Clough 等人將剛架位移法的思路進(jìn)行推廣，并在求解決彈性力學(xué)平面問題上取得了不錯效果。求解過程中首先要把連續(xù)體劃分為許多小單元，三角形或是矩形單元，每個子單元的位移函數(shù)選用合適的近似表達(dá)式；而后求解子單元剛度矩陣；最后建立單元節(jié)點(diǎn)位移、節(jié)點(diǎn)力間的方程。“有限元法”的命名，最早由Clough 提出。當(dāng)下計(jì)算機(jī)水平的發(fā)展，為有限元的求解提供了便捷工具，使其應(yīng)用范圍更加廣泛。

一、有限元法概述

有限元法具有求解效率高、求解思路簡單、使用方便的特點(diǎn)，在大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)、多自由度體系的分析中具有明顯優(yōu)勢。最早的有限元法求解過程以變分法為基礎(chǔ)，在可微分方程描述的各類物理場中都可以應(yīng)用。機(jī)械機(jī)構(gòu)誤差分析以物理學(xué)理論為基礎(chǔ)，使用有限元法可以有效提高求解效率。有限元法最為突出的特點(diǎn)是使用了離散的概念，有機(jī)結(jié)合了數(shù)值法與解析法，將整體分析問題轉(zhuǎn)化為分段求解的問題。求解思路主要可以分為以下步驟

步驟1：整體結(jié)構(gòu)離散化，以單元、節(jié)點(diǎn)分析來代替整體分析。平面問題離散為三角形單元、矩形單元，空間問題離散為四面體、多面體等。單元間通過有限個特點(diǎn)節(jié)點(diǎn)連接。

步驟2：局部單元分析，求解局部單元內(nèi)部節(jié)點(diǎn)位移、節(jié)點(diǎn)力間的關(guān)系式。利用位移插值函數(shù)近似確定單元內(nèi)部的點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系，求解單元的應(yīng)變、應(yīng)力關(guān)系，最后得到節(jié)點(diǎn)力、節(jié)點(diǎn)位移關(guān)系式。

步驟3：整體分析，由單元分析轉(zhuǎn)變?yōu)檎w分析，建立節(jié)點(diǎn)與外部邊界條件的關(guān)系式，對有限個單元作分片插值求解各種力學(xué)問題。

近年來，有限元法隨著高速電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的成熟而迅速發(fā)展，各類工程問題的求解都是用到了有限元法，包括機(jī)械結(jié)構(gòu)誤差分析。

二、有限元法在機(jī)械結(jié)構(gòu)誤差分析中的運(yùn)用

（1）機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中的誤差

機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程要力學(xué)分析為基礎(chǔ)，同時(shí)綜合考慮幾何學(xué)、材料學(xué)等相關(guān)內(nèi)容。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要功能，設(shè)計(jì)過程中據(jù)需要分清主次變量，很多與功能要求關(guān)系不密切的變量會被忽略。有限元為設(shè)計(jì)人員提供了依據(jù)變量重要性進(jìn)行變量分類的方法，以某一參數(shù)值來表示重要性。設(shè)計(jì)過程中各變量控制的誤差可以由方程求解，做近似判斷。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)誤差主要來自于：設(shè)計(jì)工具的誤差、設(shè)計(jì)者個人能力導(dǎo)致的誤差、復(fù)雜的設(shè)計(jì)工序?qū)е碌恼`差等。

（2）機(jī)械結(jié)構(gòu)制造過程中的誤差

機(jī)械制造過程中選用的制造方法、制造流程、制造工具等均有可能會產(chǎn)生誤差。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械制造的目的，制造過程中需進(jìn)行主次變量的劃分，以便忽略某些次要變量。有限元法為制造人員提供了依據(jù)變量重要性進(jìn)行分類的方法，以某一設(shè)定的參數(shù)值來表示變量的重要性。制造過程中各變量控制的誤差可由方程求解，做近似判斷。機(jī)械結(jié)構(gòu)制造誤差主要來自于：制造工具導(dǎo)致的誤差、制造者個人能力導(dǎo)致的誤差、復(fù)雜的制造工序?qū)е碌恼`差等。

（3）機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的誤差

機(jī)械結(jié)構(gòu)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生誤差的因素主要有：使用環(huán)境、摩擦、損耗、材料老化等。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)功能的長期、高效運(yùn)轉(zhuǎn)，運(yùn)轉(zhuǎn)過程同樣需要進(jìn)行主次變量的劃分，以便忽略次要變量。有限元法為制造人員提供了依據(jù)變量重要性進(jìn)行分類的方法，以某一設(shè)定的參數(shù)值來表示變量的重要性。使用過程中各變量控制的誤差可由方程進(jìn)行求解，做近似判斷。機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)誤差主要來自于使用環(huán)境驟變導(dǎo)致的誤差，還有其它許多因素會產(chǎn)生的誤差這里不在贅述。

無論是在自然界，還是在人類社會的生產(chǎn)實(shí)踐中誤差是普遍存在的，機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制造、使用各個環(huán)節(jié)或多或少會存在誤差。誤差代表了實(shí)際與理論的差值，實(shí)際操作中無法做到徹底消除，但可以通過某些方法有效的控制誤差，使機(jī)械結(jié)構(gòu)趨于完善。優(yōu)化誤差需要首先確定影響誤差的變量以及各變量對誤差的影響成都。理論上所有與機(jī)械結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)的食物都有可能會使其涉及、生產(chǎn)、使用等環(huán)節(jié)產(chǎn)生誤差任何與機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生聯(lián)系的事物都有可能對機(jī)械結(jié)構(gòu)造成誤差，但不是每個因素都要考慮，都，但并不是所有事物都計(jì)入到計(jì)算變量中，要依據(jù)其對誤差影響的程度進(jìn)行篩選，將起決定性作用的因素記作變量，并設(shè)置參數(shù)來表示它對誤差的影響大小。誤差方程的設(shè)計(jì)，誤差值設(shè)為 y，各變量依次為 x1，x2，x3...，xN（N 為變量的個數(shù)），各個變量相應(yīng)的權(quán)重參數(shù)設(shè)為a，b，c，d...，最終y=a×x1+b×x2+c×x3+...。將實(shí)際觀測所得變量值、誤差值帶入上述方程。N個變量共得到 N 組觀測值，N 個方程。聯(lián)立N個方程并求解即可得到 a，b，c，...參數(shù)值，即各個變量對誤差的影響程度。

三、有限元法在機(jī)械結(jié)構(gòu)誤差分析中的利弊

使用有限元法進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)誤差分析主要優(yōu)勢是求解思路簡單，借助計(jì)算機(jī)盡心計(jì)算效率高、操作方便。有限元法在軟件開放及應(yīng)用方面具有顯著優(yōu)勢，任何復(fù)雜的工程問題、多自由度結(jié)構(gòu)求解問題都可以借助有限元計(jì)算軟件得到很好的解決。此外，使用有限元法進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)誤差分析也存在一些弊端。首先，并不是所有對誤差產(chǎn)生影響的變量都可以找到、并合理計(jì)算，變量體系不完全、近似求解思路不合理都會導(dǎo)致誤差計(jì)算結(jié)果精確度下降。另外，針對汽車底盤、飛機(jī)引擎等復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，其控制變量數(shù)目過多，使用有限元法計(jì)算量巨大，對計(jì)算機(jī)及其它相關(guān)設(shè)備要求較高。

有限元法已經(jīng)發(fā)展成為較為成熟的分析方法，在機(jī)械結(jié)構(gòu)的誤差分析中的應(yīng)用得到了普遍認(rèn)可，其求解思路簡單、與計(jì)算機(jī)設(shè)備結(jié)合程度高等優(yōu)勢，使其在提高機(jī)械結(jié)構(gòu)的精確度及穩(wěn)定性上發(fā)揮著越來越重要的作用。隨著信息技術(shù)手段的發(fā)展，有限元法的分析能力會越來越強(qiáng)，應(yīng)用范圍會越來越廣泛。

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作者簡介：

魯勇（1978-），性別：男，民族：漢，籍貫：四川，當(dāng)前職務(wù)：設(shè)計(jì)員

當(dāng)前職稱：工程師，學(xué)歷：大學(xué)本科，研究方向：工程技術(shù)方面。

（作者單位：貴州航天控制技術(shù)有限公司）