高新紅

（成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610000）

到現(xiàn)在為止，中國已將有限元法廣泛應(yīng)用到了各類科學(xué)計(jì)算及理論分析之中，有限元法能夠解決諸多科學(xué)設(shè)計(jì)過程中的復(fù)雜問題，特別是在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中的運(yùn)用對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)的發(fā)展而言具有舉足輕重的作用。

一、有限元法概述

有限元法的創(chuàng)造歷史可上溯至七八十年前，那時(shí)一部分美國人于結(jié)構(gòu)矩陣的研究方面取得了相應(yīng)成效，之后有人便以這些成效為依據(jù)創(chuàng)造出了鋼架位移方法，并把它運(yùn)用到了彈性力學(xué)平面的研究之中，即將某些連續(xù)的整體分割成矩形及三角形，再把此類小的單元里的位移函數(shù)以近似的方法展現(xiàn)出來。隨后，鑒于科學(xué)技術(shù)的持續(xù)前進(jìn)，電腦的水平也有了特別大的提升，有限元法便隨之發(fā)展了起來，由于有限元法在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及研究過程中具有至關(guān)重要的作用，因此有限元軟件受到了越多越多專業(yè)人士的青睞，同時(shí)其于機(jī)械設(shè)計(jì)中的運(yùn)用也日漸廣泛。

二、有限元法于機(jī)械設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

我們將有限元法運(yùn)用于機(jī)械設(shè)計(jì)中，事實(shí)上是采用有限元程序?qū)⒂邢薹捌淅碚摻柚娔X展現(xiàn)于機(jī)械設(shè)計(jì)過程中。本文以一種由內(nèi)襯套、外襯套及天然橡膠組成的橡膠襯套為例，詳細(xì)的介紹有限元法于機(jī)械設(shè)計(jì)過程中的運(yùn)用。

（一）模型簡(jiǎn)化

模型簡(jiǎn)化即將模型中那些不會(huì)對(duì)模型整體造成特別大影響的部分去除，比方說，機(jī)械設(shè)備中的圓角，抑或倒角等部分。之所以這樣做是由于保留此類成分將對(duì)機(jī)械單元格整體質(zhì)量造成不良反應(yīng)，特別是在增大運(yùn)算量之后特別難收斂分析結(jié)果。針對(duì)與橡膠襯套相類似的機(jī)械設(shè)計(jì)，在對(duì)其徑向剪裁展開研究時(shí)，對(duì)橡膠里的襯套固定和橡膠的形變展開分析，同時(shí)于徑向不帶孔的方向增加載荷量500N的力，且確保加載速度等于5mm/min。

（二）單元格劃分

單元格劃分即對(duì)機(jī)械整體模型展開離散處理，如此做能夠幫助技術(shù)人員更好地自離散的數(shù)據(jù)里找到模擬研究的規(guī)律。此外，在實(shí)施單元格劃分時(shí)應(yīng)以不同機(jī)械模型需求為依據(jù)創(chuàng)建相對(duì)應(yīng)的有限數(shù)據(jù)集合，如此便可以確保設(shè)計(jì)結(jié)束后的材料選取及邊界條件的定義。

（三）機(jī)械幾何屬性

設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)制造時(shí)，理應(yīng)以新產(chǎn)品的幾何屬性為依據(jù)創(chuàng)建相應(yīng)的模型，因此設(shè)計(jì)人員在制作模型時(shí)必須先對(duì)模型的幾何屬性進(jìn)行定義，比方說，機(jī)械模型中某些零件的變力及熱傳導(dǎo)等屬性的研究等。鑒于不同的機(jī)械模型所具有要求是不一樣的，因此設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)的過程中，理應(yīng)以實(shí)際為依據(jù)，具體問題具體分析，以制作出最佳的機(jī)械模型。此外，此處應(yīng)對(duì)材料屬性的定義問題進(jìn)行強(qiáng)調(diào)，對(duì)于已然制造完成的機(jī)械模型，設(shè)計(jì)人員理應(yīng)對(duì)模型中起決定性影響的部分創(chuàng)建材料參數(shù)，針對(duì)大部分金屬同類材料則只要?jiǎng)?chuàng)建楊氏模量便可以了，但是對(duì)于那些非線性變化的材料，必須把它壓縮及拉伸的應(yīng)力轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)進(jìn)電腦里展開研究，最后再借助于電腦的擬合給予模型相對(duì)應(yīng)的參數(shù)。

（四）接觸條件及載荷情況

針對(duì)接觸條件的定義應(yīng)以機(jī)械模型諸部分構(gòu)成的接觸情況為依據(jù)確定，以橡膠襯套為例，橡膠于受力后特別容易產(chǎn)生形變，這屬于橡膠間的接觸，橡膠即稱為變形體，但外襯套及內(nèi)襯套不會(huì)出現(xiàn)形變，則可稱其為剛體。待接觸條件定義好后，機(jī)械模型的材料及受力等細(xì)節(jié)便基本明確了，隨后即邊界條件及載荷條件的明確，此處需要以有限元法里的定義收斂法進(jìn)行確定。

（五）定義作業(yè)及單元類別

針對(duì)已經(jīng)定義好的載荷情況機(jī)械模型，設(shè)計(jì)人員應(yīng)將其帶入到作業(yè)里進(jìn)行更仔細(xì)的處理。假如對(duì)象為更復(fù)雜的機(jī)械模型則需運(yùn)用初始載荷定義，最終還應(yīng)采用具體的研究操作類型與設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行研究。此外，在有限元軟件里，類型不一樣的結(jié)構(gòu)，其單元類型也不一樣，因此在此種情況下，設(shè)計(jì)人員理應(yīng)運(yùn)用現(xiàn)代電腦技術(shù)對(duì)單元類型展開定義。

三、有限元分析軟件介紹

通常情況下，有限元分析軟件可分成如下三部分：第一部分，有限元前處理。該部分主要包括如下環(huán)節(jié)：（1）構(gòu)造幾何模型；（2）劃分有限元網(wǎng)格；（3）生成、核對(duì)及輸入模型的幾何、載荷及邊界條件數(shù)據(jù)等；第二部分，有限元分析。展開單元分析及整體分析，計(jì)算位移及應(yīng)力值等數(shù)據(jù)；第三部分：有限元后處理。對(duì)計(jì)算結(jié)果展開研究及整理，同時(shí)用圖形方式輸出，如此設(shè)計(jì)者便可對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果展開直觀的判斷及適時(shí)的修改。

四、有限元發(fā)展趨勢(shì)研究

有限元的運(yùn)用對(duì)于企業(yè)的發(fā)展而言具有至關(guān)重要的作用，它不但可以促進(jìn)企業(yè)設(shè)計(jì)效率的提升，有利于企業(yè)設(shè)計(jì)方案的完善，同時(shí)還能夠起到減少產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間的作用?，F(xiàn)如今，CAE技術(shù)對(duì)生產(chǎn)所起到的巨大促進(jìn)作用已經(jīng)受到了越來越多企業(yè)及技術(shù)人員的關(guān)注，無庸置疑，有限元法的運(yùn)用范圍在今后將更廣泛，其發(fā)展也將有更大的突破。

結(jié)語

總而言之，有限元法的運(yùn)用對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)的發(fā)展來說具有特別大的促進(jìn)作用，它有利于機(jī)械設(shè)計(jì)企業(yè)設(shè)計(jì)效率提升，同時(shí)還可以為企業(yè)節(jié)省較多的人力及物力資源，對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)企業(yè)的發(fā)展而言有百利而無一害。所以各機(jī)械設(shè)計(jì)企業(yè)及相關(guān)技術(shù)人員理應(yīng)給予有限元法應(yīng)有的重視，在生產(chǎn)及經(jīng)營活動(dòng)中充分運(yùn)用有限元法展開機(jī)械的設(shè)計(jì)，以更好地促進(jìn)科技的進(jìn)步，社會(huì)的發(fā)展，進(jìn)而推動(dòng)中國經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

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