機(jī)械設(shè)計(jì)中有限元分析的幾個(gè)關(guān)鍵問題

潘朗

摘 要：有限元分析是利用數(shù)學(xué)近似的方法模擬真實(shí)物理習(xí)題，可以對(duì)高難度問題得到高精度的計(jì)算結(jié)果，在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本文對(duì)有限元分析方法在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行分析，針對(duì)有限元分析應(yīng)用的關(guān)鍵影響因素提出相應(yīng)的解決對(duì)策，著重介紹如何做好容差設(shè)置、量綱選擇、單元選擇和網(wǎng)格密度設(shè)置等關(guān)鍵工作，以更好的發(fā)揮有限元分析的優(yōu)勢和作用。

關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計(jì) 有限元分析 影響因素 對(duì)策

Some Key Problems of Finite Element Analysis in Mechanical Design

Pan Lang

Abstract：Finite element analysis is a mathematical approximation solution in simulate real physical cases， which can obtain high precision calculation results for high difficulty problems and has been widely used in mechanical design field. This paper analyzes the application of finite element analysis method in mechanical design， and puts forward corresponding solutions to the key influencing factors of finite element analysis application. It mainly introduces how to do well in key works such as tolerance setting， dimension selection， element selection and grid density setting， so as to give full play to the advantages and functions of finite element analysis.

Key words：mechanical design， finite element analysis， influencing factors，? countermeasures

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，有限元分析技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了越來越普遍的應(yīng)用，借助有限元分析軟件可以根據(jù)機(jī)械零件幾何特征建立有限元模型，分析單元的力學(xué)性質(zhì)，結(jié)合力的平衡條件等因素形成整體剛度矩陣，計(jì)算應(yīng)變和應(yīng)力，從而對(duì)零件設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，提高零件剛度和強(qiáng)度等性能指標(biāo)，降低零件生產(chǎn)制造成本，滿足工業(yè)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)需求。有限元分析的應(yīng)用范圍十分廣泛，可以用于金屬材料、復(fù)合材料等不同材料的零件設(shè)計(jì)，成為機(jī)械工程領(lǐng)域基本的分析方法之一。

1 有限元分析在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用原理和流程

有限元分析是一種數(shù)據(jù)分析處理的方法，使用數(shù)學(xué)近似的方法模擬真實(shí)的物理習(xí)題，可以用簡單的近似問題代替復(fù)雜的問題進(jìn)行求解，以有限去逼近無限。這種分析方法中互連子閾被視為組成解閾的因素，使用假定的簡單的近似解匹配給各個(gè)單元，對(duì)這個(gè)閾總的滿足條件求解推導(dǎo)，得出問題的解。在這一過程中，得到的并非問題的準(zhǔn)確值，而是近似值，但通過有限元分析使用簡單問題替代實(shí)際問題求解，可以對(duì)復(fù)雜問題得到精度較高的計(jì)算結(jié)果，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和適用性。

傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)基于以往的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，需要結(jié)合現(xiàn)有的資料研發(fā)新的產(chǎn)品，根據(jù)既有經(jīng)驗(yàn)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。這種方式需要耗費(fèi)設(shè)計(jì)人員大量的時(shí)間和精力，且受限于設(shè)計(jì)人員自身的經(jīng)驗(yàn)水平和現(xiàn)有資料，設(shè)計(jì)優(yōu)化的提升十分有限，不僅設(shè)計(jì)與生產(chǎn)效率低，而且效果往往并不理想。主要原因在于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法沒有選擇的余地，設(shè)計(jì)工作中存在盲目性的問題，缺乏準(zhǔn)確、可靠的數(shù)據(jù)支持，難以對(duì)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)效果進(jìn)行科學(xué)的評(píng)估。有限元分析法的引入，可以大大降低設(shè)計(jì)人員的工作負(fù)擔(dān)，減少了人力、物力和材料等方面的消耗，縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間，更重要的是大幅提升了機(jī)械設(shè)計(jì)的上限，使機(jī)械設(shè)計(jì)與產(chǎn)品制造效果得到保障。

有限元分析在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)高速發(fā)展的背景下，有限元分析在解決復(fù)雜問題上發(fā)揮了重要作用。例如可以借助有限元分析法進(jìn)行外部荷載對(duì)機(jī)體結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變的分析，可以解決損傷容限分析和實(shí)驗(yàn)中的荷載驗(yàn)證等問題。在具體應(yīng)用過程中，需要先簡化模型，對(duì)單元格進(jìn)行劃分，再對(duì)幾何、邊界條件、載荷狀況等進(jìn)行定義。其中，機(jī)械模型簡化是將研發(fā)的新產(chǎn)品模型中不重要的部分去除，比如機(jī)械結(jié)構(gòu)中倒角等不影響機(jī)械生產(chǎn)的部分，去除這些部分不會(huì)影響機(jī)械生產(chǎn)質(zhì)量，可以降低有限元分析的工作量;單元格劃分是對(duì)機(jī)械模型進(jìn)行劃分處理，根據(jù)模型構(gòu)建有限數(shù)據(jù)，便于設(shè)計(jì)人員從分散數(shù)據(jù)中總結(jié)模擬分析的規(guī)律;定義機(jī)械的幾何特點(diǎn)包括零件應(yīng)力、厚度等幾何特征，從而可以根據(jù)產(chǎn)品幾何特征制作相應(yīng)的模型，需要注意材料特性的定義問題，機(jī)械模型應(yīng)構(gòu)建材料參數(shù)，同時(shí)還需要定義接觸條件、載荷狀況等內(nèi)容，確定機(jī)械模型的受力與材料等因素。設(shè)計(jì)人員需要重視接觸條件和單元格的分析，這兩個(gè)因素會(huì)對(duì)有限元分析結(jié)果造成直接影響。還需要注意的是，對(duì)完成的機(jī)械模型，需要對(duì)其類型進(jìn)行定義，有限元分析法中不同結(jié)構(gòu)類型有不同的單元類型。

然而有限元分析法也有不成熟的方面，例如在強(qiáng)度校核方面尚處于探索階段。在應(yīng)用有限元分析法進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)的過程中，設(shè)計(jì)人員需要對(duì)分析結(jié)果辨證看待，不盲目相信也不能盲目否定，要有嚴(yán)密的思維和科學(xué)的判斷，對(duì)有限元分析的計(jì)算原理有清晰而充分的認(rèn)識(shí)，對(duì)實(shí)際結(jié)果與分析結(jié)果的差異有科學(xué)的分析，驗(yàn)證有限元分析結(jié)果的可行性，尤其要重視常規(guī)強(qiáng)度的計(jì)算問題。