王秋鵬

(西安鐵路職業(yè)技術(shù)學院，陜西 西安 710014)

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有限元分析技術(shù)在冶金機械設計中的應用

王秋鵬

(西安鐵路職業(yè)技術(shù)學院，陜西 西安 710014)

在計算機網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展下，有限元分析技術(shù)被廣泛的應用到冶金機械設計當中，對冶金機械設計起到了關(guān)鍵性的作用。介紹了有限元分析技術(shù)的特點，充分了解有限元分析技術(shù)的發(fā)展趨勢和價值所在，進而分析有限元分析技術(shù)在冶金機械設計中的應用。

有限元分析技術(shù)；冶金；機械設計

在冶煉工業(yè)發(fā)展中，冶金機械設計是非常重要的一個環(huán)節(jié)，通過科學的設計冶煉工序，將有色重金屬進行提煉，提升機械設計的水平，將提升冶煉技術(shù)的效果。在傳統(tǒng)的冶金機械設計中，很多零件的數(shù)據(jù)極容易出現(xiàn)誤差，影響設計結(jié)果，這些誤差利用傳統(tǒng)的設計辦法很難避免，由于傳統(tǒng)的設計方面很難做到精細、準確。在冶金機械設計中應用有限元分析技術(shù)，就能夠很好的避免這些問題，將每個零件在最大限度內(nèi)確保數(shù)據(jù)的精準，使機械設計更加合理，提升機械使用的效率和機械設備的使用年限，同時，降低冶金技術(shù)對周圍環(huán)境產(chǎn)生的污染。

1 有限元分析技術(shù)的基本介紹

1.1有限元分析技術(shù)的概念

我們可以這樣看，有限元分析是運用某種數(shù)學近似法，對真實的物理系統(tǒng)進行模擬。利用簡單模型、相互關(guān)聯(lián)的元素和固定數(shù)量的未知數(shù)對無限未知的系統(tǒng)進行還原。有限元分析的方法可以將每個復雜的問題變成簡單的問題，對這些簡單的小問題進行推測、解答，推測出求解這個未知數(shù)的條件，為機械設計提供更加精準的數(shù)據(jù)，從而提升機械設計的效率。

1.2有限元分析技術(shù)的特征

有限元是將具有連續(xù)性分散的單元進行重新組合，有限元分析技術(shù)主要是為了求解最小的子域。在傳統(tǒng)的求解方式中，對整體的定義域進行求解，這就要求滿足整體定義域內(nèi)的所有條件，這就增加了求解的難度，極容易出現(xiàn)各種錯誤。無論是對子域求解，還是對整體定義域求解都無法提供準確的計算，但是有限元分析方法對子域的求解能夠無限的接近真實的數(shù)據(jù)，對小單元進行求解，進而推測出滿足整體定義域的條件，將整個計算更加準確，進而提高機械設計的效果。在冶金機械設計過程中，有限元分析的方法是利用函數(shù)在簡單的子域內(nèi)進行求解，這求解過程不需要考慮整體定義域的條件，這種求解方法更加簡單、方便，更加精準[1-2]。

2 有限元分析技術(shù)的發(fā)展趨勢

2.1能夠使軟件進行無縫銜接

目前，有限元分析軟件和CAD制圖軟件相互結(jié)合使用，產(chǎn)生了非常好的效果。利用CAD制圖軟件完成機械設備中零部件的改造工作，將改造后的數(shù)據(jù)輸送到原來的軟件模型，將設計好的軟件模型數(shù)據(jù)放到特定的軟件中，對其進行詳細的計算和分析，查看分析結(jié)果。如果最后的結(jié)果符合相應的標準，停止進行操作，上交相應的數(shù)據(jù)；如果分析的結(jié)果與預計結(jié)果相差很遠，需要對其進行重新調(diào)整，直到符合要求。通過對有限元分析軟件的不斷完善，能夠很好的解決機械設計中的軟件應用。舉例說明一下，CAD制圖軟件能夠與有限元分析技術(shù)進行融合，達到無縫連接，對數(shù)據(jù)進行準確傳遞。

2.2設置全新的網(wǎng)格處理技術(shù)

在有限元分析技術(shù)處理問題的過程中，很容易出現(xiàn)問題。處理的內(nèi)容主要有離散化的分析對象、有限元的簡單求解和分析結(jié)果。一般情況下，離散化的分析數(shù)據(jù)與網(wǎng)格質(zhì)量息息相關(guān)。在分析數(shù)據(jù)中，大多數(shù)的軟件設計無法滿足要求，只有很少的一部分滿足。因此，提升網(wǎng)格處理能力，最好的方式就是對網(wǎng)格進行重新自動化分割，然后重新組合。

2.3將程序進行大范圍的開放

科學技術(shù)的提升，很多企業(yè)都在進行市場擴張，緊跟市場的趨勢，滿足用戶提出的要求，增加對軟件功能的研究，進而增加企業(yè)的經(jīng)濟效益。當研發(fā)的新軟件應用到實際操作中，很難滿足所有用戶的需求，這也就是說，需要對軟件進行進一步的擴充。

2.4將求解問題的難度加大

社會進步的腳步加快，當下的線性理論求解很難滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求，應用線性理論后，出現(xiàn)很多材料的浪費、資源的破壞，很多問題無法解決。利用線性理論進行解決的問題相對較簡單，為了解決某些復雜的問題，需要依靠非線性理論。由于非線性理論相對比較難，應用起來相對有些難度，求解的過程也相對比較復雜，因此，需要利用某些特殊的方式求解非線性問題。

3 有限元分析技術(shù)的價值體現(xiàn)

當前，有限元分析技術(shù)已經(jīng)應用到設計流程中，也就是說，有限元分析技術(shù)應用到設計流程中每個部件、系統(tǒng)的設計。在某些階段，對于設計概念沒有詳細的介紹，只是簡單的評價。在機械設計的過程中，利用數(shù)字樣機技術(shù)進行分析，也就是將原來的分析過程添加到計算機中，在計算機上對驗證進行測試，測試出相應的結(jié)果，觀察其結(jié)果是否符合相關(guān)要求，然后進行下一項測試，如果測試合格后，馬上投入生產(chǎn)。有限元分析技術(shù)將提高機械設計的效率，同時，能夠給企業(yè)帶來豐厚的利潤。

當前，市場競爭非常激烈，需要展現(xiàn)出核心的競爭優(yōu)勢。核心競爭優(yōu)勢有產(chǎn)品本身的質(zhì)量、生產(chǎn)的成本和市場營銷的時間。有限元技術(shù)應用在這幾個方面的優(yōu)勢：

1) 能夠縮短生產(chǎn)的時間。由于機械設備的建模和造型都是在計算機中完成，通過對數(shù)據(jù)進行調(diào)整，調(diào)整計算機的模型，從而減少生產(chǎn)模型的時間，增加使用的年限；

2) 減低整體的投資費用。由于有限元分析技術(shù)是利用計算機，這種效果能夠減少有限元分析技術(shù)的投資；

3) 提升產(chǎn)品自身的質(zhì)量。利用先進的技術(shù)對其進行優(yōu)化處理，提升整個產(chǎn)品本身的效果。

4 有限元分析在冶金機械設計中的應用

4.1模型簡化處理

有限元分析技術(shù)是在計算機的模型分析基礎上建立的，如果計算機模型處理的好，有限元分析技術(shù)應用的效果就非常好。冶金機械設計的模型結(jié)構(gòu)非常的復雜，需要從動、靜兩個方面進行分析。想要將一個模型進行簡化處理，首先要判斷這個問題的性質(zhì)，是屬于線性結(jié)構(gòu)還是非線性結(jié)構(gòu)，是動力學問題還是靜力學問題，分析出來后，再根據(jù)不同的方法進行正確的處理，進而得出相應的結(jié)果[3]。比如：在進行動力分析的過程中，不適宜采用振型疊加法和周期載荷的富力埃級數(shù)展開的方式進行求解；對于某個變化或者某個關(guān)系式和時間有所關(guān)聯(lián)，就可以按照動力問題進行求解。

一般情況下，冶金機械設計都是一個相對比較復雜的結(jié)構(gòu)，首先要分析這個結(jié)構(gòu)的特征，對這個結(jié)構(gòu)的每個部分進行詳細的剖析，按照適合的方式進行簡化處理，進而進行合理的計算[4]。切記胡亂的進行簡化，比如：利用不抗彎的膜代替抗彎曲的板，利用桿代替梁，將三維立體的塊狀物體比作軸對稱的球體等等問題，這些問題都會造成模型計算的誤差。在結(jié)構(gòu)簡化的過程中，必須嚴格的按照力學概念進行簡化，操作人員必須對力學中的桿、板、三維圖形等等問題有準確的了解，同時，還要了解他們所應用的限制條件，在模型簡化中做到精準，提高后期模型計算效果。

目前，在靜力分析模型中，已經(jīng)取得效果的技術(shù)包括：燒結(jié)混料機的有限元分析與剩余壽命研究、帶式燒結(jié)機新型星輪有限元分析、燒結(jié)機臺車卡倫軸承有限元分析等等。

4.2結(jié)構(gòu)解體的規(guī)模變小

冶金機械設計隸屬于大型工程中，對于這類大型工程中所采用的構(gòu)件數(shù)量比較多，形態(tài)比較復雜。為了能夠得到非常準確的結(jié)果，需要對結(jié)構(gòu)進行分解，分解成很多簡單的小單元，由于這個大型結(jié)構(gòu)的求解中涵蓋了很多個小節(jié)點，方程式的規(guī)模也比較龐大。在進行計算的過程中，即使計算機能夠滿足所有的條件，但是需要花費大量的費用。在這種情況下，在精準化求解的條件下，如何減少花費的費用，成為了冶金機械設計人員一直努力研究的課題。

經(jīng)過無數(shù)設計人員的付出，有了突破性的進展。在機械設計中，可以利用結(jié)構(gòu)的對稱性、周期性等固有的特點將問題的規(guī)模變小，分解成無數(shù)個小單元。在冶金機械設計中，需要設計出很多零部件，比如：發(fā)電機的轉(zhuǎn)子、空氣壓縮機的葉輪等等，如果這些零件的設計都能夠按照科學的方法進行設計，將能夠保障整個冶金機械設計的效果。對設計中所有的零部件進行整體的分析，不僅要花費大量的人力，還需要大量的物力，同時也很難保證其精準度。因此，如果利用這些零件結(jié)構(gòu)自身的特點，選擇某個周期對其進行分析，所花費的工作量將大大減少。特別是對于這類工程量非常大的模型，在模型中有很多相同的零部件，只要對其中一個進行分析，就能得出相應的結(jié)果。目前求解的方法有多重靜力子結(jié)構(gòu)合動力子結(jié)構(gòu)，利用這兩種方法可以在某種程度上減少費用。針對大型工程問題求解還有一種方法就是逐步“鉆心技術(shù)”，這種設計方法需要先利用粗網(wǎng)格模型的方式將整個結(jié)構(gòu)進行粗略分析，緊接著對局部進行細化分析，將粗分析的結(jié)果當做邊界條件。如果計算出的結(jié)果和所設定的結(jié)果有所差距，就需要對局部模型中的某個零件進行詳細的分析，根據(jù)粗分析的結(jié)果作為這個局部零件的邊界條件，再次進行精準的求解，希望能夠接近設計的結(jié)果。對于每次局部某個區(qū)域進行分析，所使用的計算量就會大大降低，這樣就能提高計算的精準度。

4.3降低設計成本

傳統(tǒng)的冶金機械設計中，需要有大量的設計資料和豐富的設計經(jīng)驗，才能研發(fā)出一個新的設計產(chǎn)品，這種方式很難開發(fā)出新得機械設計，對于提升產(chǎn)品的性能所起的作用也是微乎其微，同時，利用原來的方法需要花費更多的研發(fā)經(jīng)費。隨著計算機技術(shù)的廣泛應用，將有限元分析技術(shù)應用到冶金機械設計中，不僅提高了計算的效率，減少了人力、物力的投入，更加增大的經(jīng)濟收益。由于有限元分析技術(shù)的獨特優(yōu)勢，在某種程度上提高了機械設計的效果，受到了很多機械設計業(yè)內(nèi)人士的喜愛。因此，人才和科技的優(yōu)勢決定了國際競爭市場的地位，將有限元分析技術(shù)應用在冶金機械中，大大的提升了我國冶金機械工業(yè)的水平，同時，推動了我國工業(yè)生產(chǎn)的能力。

5 總 結(jié)

在冶金機械設計中應用有限元分析技術(shù)，不僅提升了企業(yè)的設計效率，使設計方案得到優(yōu)化，將開發(fā)新產(chǎn)品的時間減少，更加降低了機械設計研發(fā)的投入。雖然我國很多很多機械生產(chǎn)企業(yè)仍在使用過去的設計技術(shù)，但是有限元分析技術(shù)受到了整個冶金機械設計工作者的喜愛，相信隨著有限元分析技術(shù)的不斷完善，有限元分析技術(shù)在我國機械的應用中將得到廣泛的應用，繼而推動我國工業(yè)的發(fā)展水平，提升我國國民的經(jīng)濟水平。

[1] 趙雷, 張一夫. 有限元分析技術(shù)在冶金機械設計中的應用剖析[J]. 機械化工, 2015(12).

[2] 賀曉輝. 冶金設備有限元分析技術(shù)的應用[J]. 礦業(yè)工程, 2016(6).

[3] 程勇高, 林元琦. 有限元分析技術(shù)在冶金設備設計中的應用[J]. CAD/CAM與制造業(yè)信息化, 2012(9).

[4] 廖云祥. 冶金機械設計中有限元分析技術(shù)的應用[J]. 企業(yè)技術(shù)開發(fā), 2013(3).

AnApplicationinMetallurgicalMachineryDesignofFiniteElementAnalysisTechnology

WANG Qiupeng

(Xi’anRailwayVocationalTechnicalInstitute,Xi’an,Shanxi710014,China)

Under the development of computer network technology, the finite element analysis technology has been widely applied to metallurgical machinery design, as plays a key role in metallurgical machinery design. This article first introduces the characteristics of the finite element analysis technology. It fully tells of the development trend and value of finite element analysis technology with its analyses of the application of finite element analysis technology in metallurgical machinery design to make metallurgical machinery technology to a new step.

Finite element analysis technology; Metallurgy; Mechanical design

2016-09-05

王秋鵬(1980-)，男，河南濟源人，副教授，研究方向：冶金機械設計，手機：18066533110，E-mail:418812152@qq.com.

TH122

：Bdoi：10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.04.041