專利領(lǐng)域有限元行業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀研究

李詠梅

摘 要 本文闡述了有限元方法技術(shù)背景與發(fā)展歷程，對(duì)有限元行業(yè)應(yīng)用情況進(jìn)行了舉例分析，針對(duì)有限元行業(yè)應(yīng)用在專利申請(qǐng)領(lǐng)域進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)有限元方法應(yīng)用的前景進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞 FEM;有限元;現(xiàn)狀;原理;應(yīng)用;專利領(lǐng)域;統(tǒng)計(jì)分析

前言

有限元法（Finite Element Method， FEM），是20世紀(jì)50年代末60年代初興起的應(yīng)用數(shù)學(xué)、現(xiàn)代力學(xué)及計(jì)算機(jī)科學(xué)相互滲透、綜合利用的邊緣科學(xué)。20世紀(jì)40年代，有限單元概念第一次被提出，在接下來(lái)的十幾年里，Argyris 等人在結(jié)構(gòu)矩陣分析方面取得了很大進(jìn)展。1956 年， Turner， Clough 等人基于架位移法，在彈性力學(xué)平面問(wèn)題上第一次成功嘗試用有限元法來(lái)分析飛機(jī)結(jié)構(gòu)，并得平面應(yīng)力的精確解。 1960 年“有限元法”這個(gè)名稱被首次提出。在隨后的幾十年里，隨著現(xiàn)代力學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的軟件和硬件能力飛速發(fā)展，有限元法在機(jī)械、工程、材料和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。

1FEM原理與工程實(shí)現(xiàn)

在有限元方法中將計(jì)算域離散剖分為有限個(gè)互不重疊且相互連接的單元，在每個(gè)單元內(nèi)選擇基函數(shù)，用單元基函數(shù)的線形組合來(lái)逼近單元中的真解，整個(gè)計(jì)算域上總體的基函數(shù)可以看作是由每個(gè)單元基函數(shù)組成的，則整個(gè)計(jì)算域內(nèi)的解可以看作是由所有單元上的近似解構(gòu)成。主要工程實(shí)現(xiàn)布置包括：

（1）劃分單元網(wǎng)格;

（2）選定相應(yīng)坐標(biāo)系，按要求輸入有關(guān)信息;

（3）使用程序進(jìn)行計(jì)算;

（4）對(duì)計(jì)算成果進(jìn)行整理分析，顯示位移及應(yīng)力。

2FEM行業(yè)應(yīng)用

2.1 在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

在對(duì)復(fù)雜人體力學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析時(shí)，力學(xué)實(shí)驗(yàn)幾乎無(wú)法直接進(jìn)行，而有限元數(shù)值模擬力學(xué)實(shí)驗(yàn)的方法則是一種有效手段。利用有限元力學(xué)分析，具有時(shí)間短、費(fèi)用少、可處理復(fù)雜條件、力學(xué)性能測(cè)試全面及其重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。另外，還可進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，指導(dǎo)對(duì)醫(yī)療器械的設(shè)計(jì)及改進(jìn)，以獲得更好的臨床療效。

2.2 在土木工程中的應(yīng)用

ABAQUS是一套基于有限元方法的工程模擬軟件，廣泛用于建筑結(jié)構(gòu)、橋梁工程、建筑結(jié)構(gòu)等土木行業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域。也是目前建筑數(shù)字化設(shè)計(jì)的一個(gè)發(fā)展方向，發(fā)揮越來(lái)越突出的作用。

3專利領(lǐng)域中有限元在行業(yè)應(yīng)用情況

3.1 在專利技術(shù)領(lǐng)域的具體應(yīng)用分類

通過(guò)統(tǒng)計(jì)利用有限元相關(guān)技術(shù)的專利申請(qǐng)，目前涉及的有限元應(yīng)用具體分為：G06F-電數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理;G01N-借助于測(cè)定材料的化學(xué)或物理性質(zhì)來(lái)測(cè)試或分析材料;G06T-一般的圖像數(shù)據(jù)處理或產(chǎn)生;G01M-機(jī)器或結(jié)構(gòu)部件的靜或動(dòng)平衡的測(cè)試;A61B診斷;外科;鑒定;G05B 一般的控制或調(diào)節(jié)系統(tǒng);G01L測(cè)量力、應(yīng)力、轉(zhuǎn)矩、功、機(jī)械功率、機(jī)械效率或流體壓力;B21D金屬板或管、棒或型材的基本無(wú)切削加工或處理;沖壓金屬;B29C塑料的成型或連接，具體如圖1所示，其中，有限元主要分布在分類號(hào)小類G06F中。選取截至目前公開(kāi)日最近的1000篇專利，涉及G06F的專利有710篇，對(duì)其具體應(yīng)用進(jìn)行分析：有限元被廣泛應(yīng)用于有限元仿真、有限元軟件、疲勞壽命評(píng)估、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、動(dòng)力學(xué)方程以及三維模型等領(lǐng)域。

3.2 全球有限元相關(guān)專利申請(qǐng)情況

通過(guò)統(tǒng)計(jì)全球FEM相關(guān)應(yīng)用專利的申請(qǐng)情況，主要申請(qǐng)的專利集中在中國(guó)、日本。其中，中國(guó)申請(qǐng)的相關(guān)專利數(shù)量位居第一。針對(duì)國(guó)內(nèi)FEM相關(guān)專利的統(tǒng)計(jì)，可以看出主要的申請(qǐng)專利集中在大專院校和企業(yè)，其中大專院校的專利申請(qǐng)位列第一。

4結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)本文介紹可知，有限元法作為一種成熟的分析方法，已廣泛應(yīng)用于解決機(jī)械工程、復(fù)合材料 人體骨鏘分析和其他各類問(wèn)題中并取得了令人矚目的成果。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算能力的提高，有限元技術(shù)將會(huì)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等更多的先進(jìn)技術(shù)結(jié)合，在更為廣闊的領(lǐng)域得到應(yīng)用和發(fā)展。

同時(shí)，也要認(rèn)識(shí)到，雖然目前有限元法在國(guó)內(nèi)已經(jīng)得到了普遍應(yīng)用，取得了大量的成就，同時(shí)專利申請(qǐng)量也位居全球第一。但是有很多專利是集中在大專院校，需要進(jìn)一步轉(zhuǎn)化到社會(huì)生產(chǎn)中。另外，與國(guó)外有限元的應(yīng)用情況相比，國(guó)內(nèi)的有限元工作依然有一定差距，特別是在生物力學(xué)中，因此在有限元的研究中，為解決實(shí)際的臨床問(wèn)題仍然需要不懈地努力。

參考文獻(xiàn)

[1] 牛曉敏，夏亞濤.有限元方法應(yīng)用研究現(xiàn)狀[J].科技致富向?qū)В?013（23）：253-253.