機械設計中有限元分析的幾個關鍵問題

武龍 尚深泉

【摘 ?要】隨著我國計算機科技的迅猛發(fā)展，有限元分析開始被引入，與之相關的數(shù)據(jù)操作和數(shù)據(jù)處理技術(shù)也逐漸得到完善，而機械設計行業(yè)也正在廣泛的應用這一數(shù)據(jù)分析方法，有限元分析法逐漸成為機械設計領域中解決各種復雜問題的主要方法。而我國經(jīng)濟水平的提高也增加了對機械設計行業(yè)的要求，這對有限元分析來說是一種機遇更是一種挑戰(zhàn)，這時就會發(fā)現(xiàn)在機械設計中有限元分析存在一些問題和缺漏，以下內(nèi)容對有限元分析進行了介紹，指出了在機械設計中有限元分析存在的關鍵問題，并提出了解決問題的相關策略，從而促進有限元分析更準確的應用到機械設計領域中去。

【關鍵詞】機械設計;有限元;問題

在機械設計中應該根據(jù)現(xiàn)實情況來使用有限元，要綜合各種不同的工程狀況來進行數(shù)據(jù)分析。隨著各種機械設備的需求量增大，這時就體現(xiàn)到了機械設計的重要性，而在機械設計中，設計人員應該精確的對工程數(shù)據(jù)進行計算和分析，準確的預測出所設計機械的使用壽命、使用價值以及運用強度等性能，有限元分析在這一程序中就起到了重要的作用。而在機械設計中不能盲目的以有限元分析出的數(shù)據(jù)作為最終結(jié)果，目前仍有幾個問題存在有限元分析中，所以設計人員必須對分析結(jié)果進行多次檢驗，保證數(shù)據(jù)的正確性。

一、機械設計中有限元分析概述

有限元分析是我國引進的一種可以對數(shù)據(jù)進行分析和處理的有效方法，它的簡稱是FEA，有限元分析可運用的技術(shù)原理類似于數(shù)學方法，它通過來模擬各種幾何系統(tǒng)、荷載情況等，再利用有限數(shù)量的單元分析來接近我們未知的數(shù)據(jù)，并且得到未知量。在機械設計中就有有限元分析的引入，有限元分析的優(yōu)勢是可以用簡單計算方法來取代比較復雜的問題進行運算，從而解決復雜問題中計算結(jié)果不準確這一漏缺，有限元計算比較精準，因此它是一種非常高效率的計算手段。在機械設計中，因為有限元分析方法比其它機械設計分析方法更為精密，并且有十分復雜的代數(shù)計算過程，因此有限元分析方法運用到機械設計中就會出現(xiàn)一些問題。

二、有限元分析在機械設計中的意義及運用過程

1.有限元分析在機械設計中的重要性

傳統(tǒng)的機械設計在進行工程設計時，主要是根據(jù)各種相關資料以及前人的設計經(jīng)驗來進行設計分析，這種方法不僅消耗大量的時間，而且分析出來的數(shù)據(jù)也不夠準確很容易出現(xiàn)錯誤，造成所設計機械在制作過程中效率低，但是成本普遍偏高，而且機械的應用效果和后期的使用壽命都受到了一定的限制。而近些年來引進的有限元分析方法，可以有效的提高機械生產(chǎn)效率，解決傳統(tǒng)設計方法中缺乏設計思路以及數(shù)據(jù)計算錯誤等問題，它在機械設計中能夠精準的優(yōu)化設計，節(jié)省了很多勞動力，節(jié)約成本。有限元分析的準確和便捷為設計人員提供了很大的幫助，成為當前我國機械設計領域中重要的技術(shù)手段。

2.有限元分析在機械設計中的運行過程

有限元分析在機械設計中主要的實施作用就是優(yōu)化設計理念、進行理論指導、操作數(shù)據(jù)分析等，它是聯(lián)系機械設計和機械未來應用水平的關鍵樞紐。機械結(jié)構(gòu)的離散化是有限元分析中的基礎第一步，通過把數(shù)據(jù)進行離散以及單元格劃分來實現(xiàn)機械模型的整體分析，其次再根據(jù)分析結(jié)果來對機械進行簡化，去除設計中對整體沒有很大影響的部分，然后再進行新產(chǎn)品的模型制作，并進行單元力學性質(zhì)的分析，對機械設計進行更加精細的處理，然后根據(jù)各種條件將單元格進行重新組合，由幾何方程來進行相應的數(shù)據(jù)計算。

三、機械設計中應用有限元分析應該注意的幾個關鍵問題

1.容差設置問題

完整的有限元分析軟件一般可以分為三部分，其中包括前置處理、解算器和后置處理，這些操作步驟還可以對有限元分析出的結(jié)果產(chǎn)生影響。在有限元分析中如果有不同的容差設置，那么進一步將單元進行整合得到的模型和數(shù)據(jù)就會出現(xiàn)差異，而現(xiàn)如今已經(jīng)出現(xiàn)很多事例可以證明幾何模型的精準度對有限元分析結(jié)果也會產(chǎn)生影響。而想要得到一個好準確度的計算分析結(jié)果，就應該處理好容差設置問題，相關的設計技術(shù)人員應該在設置容差時做到科學合理，將每一道操作步驟都進行準確的檢驗，從而得到一個準確的分析結(jié)果，將有限元分析熟練的應用到工程設計中去。

2.所設置的求解收斂精度

有限元分析所得到的計算結(jié)果也會受到解算器的影響，因為在解算器中可以設置的不同的求解收斂精度，因此對有限元分析所得到數(shù)據(jù)就會造成影響，解算器中求解收斂精度的設置在有限元分析中是一項非常關鍵的步驟，所以機械設計人員一定要對不同類型的機械器材，加以不同的求解收斂精度設置，保證應用限元分析對機械設計進行計算可以得到一個高準確度的數(shù)據(jù)結(jié)果。

3.量綱的選擇

在有限元分析應用到機械設計中，主要包括所測量的質(zhì)量、長度、所需的能量、所用的時間、以及力和應力等這幾個常見的量綱，而進行有限元分析中，所輸入量綱必須要和前后設置中的相互一致，從而保證有限元分析的計算結(jié)果。雖然從整體來看，量綱選擇只要協(xié)調(diào)一致，就可以對其自由選擇，但是在大多數(shù)的實際操作上，有限元分析數(shù)據(jù)結(jié)果都會受到所選擇量綱的影響，而量綱的選擇在操作中產(chǎn)生的影響比較細微，但是在計算結(jié)果中卻不可忽視。如果選擇了不夠合理的量綱，就會讓數(shù)據(jù)處理過程中的一些信息和數(shù)據(jù)造成不同程度的偏差，從而讓計算結(jié)果產(chǎn)生誤差，所以在利用有限元分析進行機械設計時，一定要對量綱的選擇進行合理嚴密的選擇，保證分析數(shù)據(jù)的準確性。

4.單元的選擇

單元的選擇也是機械設計應用有限元分析的一和主要問題，在應用有限元分析時，所涉及的每個單元庫中，都有相對應的單元計算結(jié)果，而在對單元進行選擇之前，相關的機械設計工作人員應該充分了解每個單元庫中不同單元各自的相對應自由度、單元屬性以及所荷載的類型等各種單元特性。對單元進行詳細的了解之后，技術(shù)人員應該根據(jù)所設計機械的不同實際情況來對單元進行準確合適的選擇。等邊三角形、正方形立方體等幾何圖形也是網(wǎng)格選取幾何中比較常見的圖形，但是幾何圖形具有多樣性而且種類比較復雜，所以不是每一個機械器材都是要使用這些理想中的網(wǎng)格來進行單元離散，應該讓使用的單元更加實現(xiàn)理想單元的形態(tài)，從而讓計算分析結(jié)果更加精確，達到合理選擇單元的目的。

5.網(wǎng)格密度的確定

在進行有限元分析的過程中，所確定的網(wǎng)格密度的高低情況也會影響到所計算數(shù)據(jù)的準確程度，而且網(wǎng)格密度對有限元分析結(jié)果的影響非常大。所以在機械設計中的有限元分析時，一定要綜合各種方面比如計算的精度和分析成本來考慮網(wǎng)格密度，在不同的密度中選擇準確的網(wǎng)格密度，根據(jù)不同的部位來設置不同的網(wǎng)格密度。

結(jié)束語

有限元分析在機械設計中雖然是一種非常行之有效的計算方法，但是它的發(fā)展歷程還不夠悠久，在一些細節(jié)上也不夠成熟，因此有限元分析在一些方面也存在一定的不足。有的機械設計運用有限元分析計算出來的數(shù)據(jù)結(jié)果可能會與真實數(shù)據(jù)產(chǎn)生嚴重偏差，這樣的分析結(jié)果就不能使用，而影響有限元分析結(jié)果的因素有的可以解決，有的卻不能避免。所以在使用有限元分析方法時，技術(shù)人員不能單一的進行結(jié)果計算，還應該對結(jié)果進行多次檢驗，通過模型模擬以及問題分析來驗證所分析結(jié)果的正確性，減少機械設計中因為數(shù)據(jù)計算發(fā)生的失誤。

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作者簡介：

武龍（1991年生），男，江蘇省徐州市人，工作：保定長城汽車股份有限公司-動力研究院-發(fā)動機試制工程師，研究方向為機戒設計及自動化

尚深泉，（1985年生）男 ?河北省保定市人，工作：保定長城汽車股份有限公司-動力研究院-發(fā)動機試制工程師，研究方向為零部件（缸蓋，缸體，各種零部件，）的研發(fā)試制工作

（作者單位：1上海應用技術(shù)學院;2邯鄲職業(yè)技術(shù)學院）