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        機(jī)械設(shè)計(jì)中有限元分析的關(guān)鍵問題研究

        2015-10-21 17:50:51羅嘉輝區(qū)貽標(biāo)梁?jiǎn)⑷A
        工業(yè)設(shè)計(jì) 2015年4期
        關(guān)鍵詞:機(jī)械設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)有限元

        羅嘉輝 區(qū)貽標(biāo) 梁?jiǎn)⑷A

        摘要:自從有限元分析法被人們所發(fā)明之后,與計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的完美融合使得有限元分析法成為了機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)中最重要的方法之一,能夠輕松解決掉復(fù)雜問題。本文論述了有限元分析法的作用,提出了注意事項(xiàng)。

        關(guān)鍵詞:有限元;機(jī)械設(shè)計(jì);注意事項(xiàng)

        有限元分析法是分析數(shù)據(jù)的方法,英文全稱為Finite ElementAnalysis,簡(jiǎn)稱FEA。有限元分析法使利用數(shù)學(xué)模型直觀表達(dá)出系統(tǒng)的負(fù)載情況,盡可能用有限的數(shù)據(jù)展示未知的數(shù)據(jù)。有限元分析法分析結(jié)果更精確,但分析方法相對(duì)復(fù)雜。

        1 有限元分析法在機(jī)械設(shè)計(jì)中的基本應(yīng)用

        有限元分析法應(yīng)用到機(jī)械設(shè)計(jì)中后發(fā)揮了巨大的作用,尤其在解決復(fù)雜問題時(shí),作用更加突出。比如,使用有限元分析法可以計(jì)算出外部負(fù)載對(duì)機(jī)械的影響。有限運(yùn)分析法在設(shè)計(jì)方面更具優(yōu)勢(shì),不需要大量設(shè)計(jì)人員復(fù)雜的設(shè)計(jì),降低了勞動(dòng)量,促進(jìn)社會(huì)的人性化發(fā)展。有限元分析法在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用流程如下圖所示:

        基本步驟為:1.簡(jiǎn)化模型;2.設(shè)定單元格;3.設(shè)定幾何特性;4.設(shè)定材料特性;5.設(shè)定接觸條件;6.設(shè)定邊界條件;7.設(shè)定負(fù)載:8.設(shè)定工作內(nèi)容;9.設(shè)定單元類型。其中。第二步和第六步尤為重要,會(huì)直接影響到分析結(jié)果。另外,分析結(jié)果還受到多方面因素的影響如軟件、數(shù)學(xué)模型、方法等。由此得知,有限元分析法得出的結(jié)果不一定準(zhǔn)確,不可一味相信,也不可棄之不用,應(yīng)該對(duì)影響因素進(jìn)行分析,如軟件的分析方式與原理,強(qiáng)度校核的分析。估算出與正確數(shù)據(jù)的誤差,綜合考慮之后,驗(yàn)證該結(jié)果是否可用。

        2 機(jī)械設(shè)計(jì)中有限元分析法應(yīng)注意的問題

        既然有限元分析法的分析結(jié)果會(huì)受到各方面因素的影響,因此技術(shù)人員就應(yīng)該尋求加強(qiáng)分析結(jié)果正確性的方法,保證謹(jǐn)慎對(duì)待有限元分析法的每一步,使其做到規(guī)范合理,使結(jié)果精確度更高,從而拓寬有限元分析法的應(yīng)用范圍。

        在實(shí)際應(yīng)用中,有限元分析法主要有以下幾種問題:

        2.1 容差設(shè)置

        利用有限元分析法制作出的軟件的工作步驟為:前置處理——解算器——后置處理。第一步和第三步能夠直接影響到數(shù)學(xué)模型的精確性,間接的影響到了對(duì)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果。如下表所示,其中數(shù)學(xué)模型分成了11個(gè)分塊。

        此外,第二步中的求解收斂精度也會(huì)對(duì)分析結(jié)果產(chǎn)生一定影響,因此技術(shù)人員應(yīng)正確設(shè)置收斂精度。

        2.2 量綱選擇

        機(jī)械設(shè)計(jì)中經(jīng)常用到的量綱有:重量、長(zhǎng)度、力的大小、時(shí)間長(zhǎng)短、能量多少等,這些量綱在輸入時(shí)必須保證前后一致,使各自的協(xié)調(diào)關(guān)系得到滿足。原則雖然簡(jiǎn)單,但是要求卻很精細(xì),一旦量綱選擇出現(xiàn)參差,則會(huì)導(dǎo)致分析時(shí)一些參數(shù)選用不合理,造成的結(jié)果偏差是非常大大的。所以說。量綱的正確選擇是有限元分析的基礎(chǔ)。

        2.3 單元選擇

        有限元分析軟件中,前置處理包括建立數(shù)學(xué)模型,設(shè)定單元、材料有機(jī)劃分網(wǎng)格。所謂劃分網(wǎng)格就是把數(shù)學(xué)模型劃分成設(shè)定的單元形狀。而單元即所謂的形函數(shù),也被稱為插值函數(shù),在等參數(shù)單元中,位移與幾何的插值階次相等,因此在線性函數(shù)中,應(yīng)變?yōu)槌A?;而在二次元函?shù)中,應(yīng)變則呈線性分布。由此得知,單元對(duì)有限元分析法的分析結(jié)果有較大影響,單元的階次越高,分析結(jié)果則越準(zhǔn)確。但是單元階次增加后,單元內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)量也會(huì)大量增加,增大了計(jì)算的復(fù)雜程度。這就要求技術(shù)人員在結(jié)果的精確度與計(jì)算成本之間尋求平衡點(diǎn),根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)的要求,選擇最合適的單元。

        在有限元軟件的單元庫里,每個(gè)單元的特性與計(jì)算方法都不盡相同,因此技術(shù)人員需要對(duì)每一個(gè)單元的特性加以清晰了解,進(jìn)一步確定合適的單元。

        網(wǎng)格劃分一般分為三角形、矩形、正立方體等,而實(shí)際中結(jié)構(gòu)往往很復(fù)雜,不可能用理想的單元?jiǎng)澐制浣Y(jié)構(gòu)。因此技術(shù)人員尋求最接近理想單元形狀的單元,盡量減小誤差。

        2.4 網(wǎng)格密度

        在機(jī)械設(shè)計(jì)中,同一個(gè)有限元分析對(duì)象的不同部位,由于形狀不同。應(yīng)力不同網(wǎng)格密度也有疏有密,而復(fù)雜的單元往往網(wǎng)格密度會(huì)很密。技術(shù)人員應(yīng)控制好網(wǎng)格密度,過低或過高都會(huì)影響分析結(jié)果的精確性,只有保持一個(gè)特定的密度,才不會(huì)對(duì)分析結(jié)果產(chǎn)生影響,但計(jì)算成本卻很高。因此在實(shí)際應(yīng)用中,還需要根據(jù)分析對(duì)象的不同,選擇合適的網(wǎng)格密度。

        3 結(jié)語

        隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,人們對(duì)所用到儀器的精確度要求也越來越高,需要精確分析出產(chǎn)品的特征與數(shù)據(jù),例如硬度、金屬延展性、耐熱性、抗氧化性等。這對(duì)于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法很難實(shí)現(xiàn),而有限元設(shè)計(jì)法卻能夠很輕松的勝任此類設(shè)計(jì)工作,因此受到了人們的青睞。目前,有限元分析法還不是非常完善,某些方面還存在缺陷,偶爾也會(huì)出現(xiàn)分析結(jié)果誤差偏大的情況。并且影響因素非常多,其中有的根本不能避免,只能權(quán)衡利弊,根據(jù)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)盡量降低影響。因此,我們應(yīng)正視對(duì)待有限元分析法的態(tài)度,既不能一味相信,也不能完全否決,根據(jù)類似問題的分析結(jié)果和以往工作經(jīng)驗(yàn)加以分析,確定分析結(jié)果誤差大小以及是否可用,這對(duì)于初學(xué)者十分重要。

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