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        機械設計中有限元分析的關鍵問題研究

        2015-10-21 17:50:51羅嘉輝區(qū)貽標梁啟華
        工業(yè)設計 2015年4期
        關鍵詞:機械設計注意事項有限元

        羅嘉輝 區(qū)貽標 梁啟華

        摘要:自從有限元分析法被人們所發(fā)明之后,與計算機技術(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械設計行業(yè)中最重要的方法之一,能夠輕松解決掉復雜問題。本文論述了有限元分析法的作用,提出了注意事項。

        關鍵詞:有限元;機械設計;注意事項

        有限元分析法是分析數(shù)據(jù)的方法,英文全稱為Finite ElementAnalysis,簡稱FEA。有限元分析法使利用數(shù)學模型直觀表達出系統(tǒng)的負載情況,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,但分析方法相對復雜。

        1 有限元分析法在機械設計中的基本應用

        有限元分析法應用到機械設計中后發(fā)揮了巨大的作用,尤其在解決復雜問題時,作用更加突出。比如,使用有限元分析法可以計算出外部負載對機械的影響。有限運分析法在設計方面更具優(yōu)勢,不需要大量設計人員復雜的設計,降低了勞動量,促進社會的人性化發(fā)展。有限元分析法在機械設計中的應用流程如下圖所示:

        基本步驟為:1.簡化模型;2.設定單元格;3.設定幾何特性;4.設定材料特性;5.設定接觸條件;6.設定邊界條件;7.設定負載:8.設定工作內(nèi)容;9.設定單元類型。其中。第二步和第六步尤為重要,會直接影響到分析結(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)果不一定準確,不可一味相信,也不可棄之不用,應該對影響因素進行分析,如軟件的分析方式與原理,強度校核的分析。估算出與正確數(shù)據(jù)的誤差,綜合考慮之后,驗證該結(jié)果是否可用。

        2 機械設計中有限元分析法應注意的問題

        既然有限元分析法的分析結(jié)果會受到各方面因素的影響,因此技術(shù)人員就應該尋求加強分析結(jié)果正確性的方法,保證謹慎對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用范圍。

        在實際應用中,有限元分析法主要有以下幾種問題:

        2.1 容差設置

        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)學模型的精確性,間接的影響到了對數(shù)據(jù)的分析結(jié)果。如下表所示,其中數(shù)學模型分成了11個分塊。

        此外,第二步中的求解收斂精度也會對分析結(jié)果產(chǎn)生一定影響,因此技術(shù)人員應正確設置收斂精度。

        2.2 量綱選擇

        機械設計中經(jīng)常用到的量綱有:重量、長度、力的大小、時間長短、能量多少等,這些量綱在輸入時必須保證前后一致,使各自的協(xié)調(diào)關系得到滿足。原則雖然簡單,但是要求卻很精細,一旦量綱選擇出現(xiàn)參差,則會導致分析時一些參數(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。

        2.3 單元選擇

        有限元分析軟件中,前置處理包括建立數(shù)學模型,設定單元、材料有機劃分網(wǎng)格。所謂劃分網(wǎng)格就是把數(shù)學模型劃分成設定的單元形狀。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,應變?yōu)槌A?;而在二次元函?shù)中,應變則呈線性分布。由此得知,單元對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)果則越準確。但是單元階次增加后,單元內(nèi)節(jié)點數(shù)量也會大量增加,增大了計算的復雜程度。這就要求技術(shù)人員在結(jié)果的精確度與計算成本之間尋求平衡點,根據(jù)機械設計的要求,選擇最合適的單元。

        在有限元軟件的單元庫里,每個單元的特性與計算方法都不盡相同,因此技術(shù)人員需要對每一個單元的特性加以清晰了解,進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,而實際中結(jié)構(gòu)往往很復雜,不可能用理想的單元劃分其結(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

        在機械設計中,同一個有限元分析對象的不同部位,由于形狀不同。應力不同網(wǎng)格密度也有疏有密,而復雜的單元往往網(wǎng)格密度會很密。技術(shù)人員應控制好網(wǎng)格密度,過低或過高都會影響分析結(jié)果的精確性,只有保持一個特定的密度,才不會對分析結(jié)果產(chǎn)生影響,但計算成本卻很高。因此在實際應用中,還需要根據(jù)分析對象的不同,選擇合適的網(wǎng)格密度。

        3 結(jié)語

        隨著科學技術(shù)的不斷進步,人們對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。這對于傳統(tǒng)的設計方法很難實現(xiàn),而有限元設計法卻能夠很輕松的勝任此類設計工作,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)實際工作經(jīng)驗盡量降低影響。因此,我們應正視對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)驗加以分析,確定分析結(jié)果誤差大小以及是否可用,這對于初學者十分重要。

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