黃 博 曹家齊

（遼東學院機械電子工程學院）

機械設(shè)計中有限元分析技術(shù)的應用實踐探微

黃 博 曹家齊

（遼東學院機械電子工程學院）

有限元分析技術(shù)在機械設(shè)計領(lǐng)域中的地位是毋庸置疑的，有限元分析法可以打破傳統(tǒng)機械設(shè)計的種種不足，滿足在機械設(shè)計中不同結(jié)構(gòu)不同材料等內(nèi)容的需要。在這個市場競爭愈演愈烈的環(huán)境下，利用有限元分析技術(shù)有利于為機械設(shè)計領(lǐng)域帶來良好的效益，并減少傳統(tǒng)機械設(shè)計中的成本投入，本文針對機械設(shè)計中有限元分析技術(shù)的應用實踐進行了分析。

機械設(shè)計；有限元分析技術(shù)；應用實踐

機械設(shè)計是對機械的結(jié)構(gòu)、原理、部件、形狀及尺寸等內(nèi)容通過正確的計算及分析進而轉(zhuǎn)化成的實體描述，是為后期制作提供依據(jù)的重要前提。機械設(shè)計是機械投入生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，機械設(shè)計中數(shù)據(jù)的可靠與否直接影響到實物的使用性能。隨著時代的發(fā)展，人們在機械工程設(shè)計中有了新的提升，伴隨著不同技術(shù)的出現(xiàn)及應用，使其設(shè)計的質(zhì)量得到了不斷的優(yōu)化。有限元法則是在機械設(shè)計領(lǐng)域中最為常見的技術(shù)。

1 有限元分析技術(shù)在機械設(shè)計中的優(yōu)勢

有限元分析早在幾個世紀前就已經(jīng)被提出并應用，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展促使了有限元分析技術(shù)的廣泛普及，甚至已經(jīng)拓展到了幾乎整個科學技術(shù)領(lǐng)域。有限元分析方法的廣泛應用促使了眾多應用軟件的開發(fā)，多數(shù)相關(guān)的軟件都可以滿足開發(fā)產(chǎn)品的需要。有限元的軟件具備一個內(nèi)容豐富的資料庫，可針對不同類型或結(jié)構(gòu)的材料進行分析處理，與此同時還與眾多CAD系統(tǒng)相互連接，在運用CAD軟件進行部件或模型的制作的問題上變得更加便利，有限元的軟件中關(guān)于網(wǎng)絡劃分技術(shù)可與有限元分析相互融合，可以盡最大的程度滿足工程設(shè)計的需要，有效的提高了工程設(shè)計的效率。

有限元分析技術(shù)在數(shù)值計算的精度上要高于其他計算法，并且可以適用于不同種類的復雜形狀，具有著非常實用的高效性，是其他分析技術(shù)不能比擬的，與此同時，該項技術(shù)的高效性可以為相關(guān)企業(yè)設(shè)計的產(chǎn)品縮短研發(fā)的時間，并有利于其他不同的優(yōu)化手段實現(xiàn)產(chǎn)品的最優(yōu)設(shè)計，還大大減少了成本開發(fā)的費用。機械設(shè)計本身就是要求較高的工程設(shè)計領(lǐng)域，配合有限元分析技術(shù)的應用存在著必然的優(yōu)勢。

2 機械設(shè)計中有限元分析技術(shù)的應用實踐

傳統(tǒng)的機械設(shè)計方法之所以被逐漸的淘汰，就是由于傳統(tǒng)的方法遵循的是以往的設(shè)計經(jīng)驗來完成的設(shè)計，不但要依靠很多人力、物力還浪費了大量的時間。人工的計算很容易出現(xiàn)失誤，特別是在選取最優(yōu)方案的時候，大多采取的是多種方案對比的方式來選擇，這樣一來就需要設(shè)計人員根據(jù)機械工程設(shè)計的需要來設(shè)計出不同方案，大大提高了機械投入開發(fā)及生產(chǎn)的時間，如果設(shè)計的質(zhì)量出現(xiàn)問題，還會造成高成本投入的問題，直接影響到了企業(yè)賺取利潤的空間。通過有限元分析技術(shù)可以有效的解決以上出現(xiàn)的問題，在保證機械設(shè)計質(zhì)量等同時，還能為企業(yè)創(chuàng)造出更大的經(jīng)濟效益。

以機械設(shè)計中汽車領(lǐng)域的設(shè)計為例，有限元分析技術(shù)實現(xiàn)汽車結(jié)構(gòu)的動力學分析、汽車部件結(jié)構(gòu)的剛度和強度的分析。在進行部件強度分析的時候，主要包含以下內(nèi)容：通過ANSYS、ABAQUS等有限元分析軟件建立出該部件的三維模型，再建立出車身結(jié)構(gòu)和該零件的有限元模型，按照汽車的不同工況分析出整車的動力并計算出該動力仿真結(jié)果，在完成以上內(nèi)容后通過施加載荷值運行并求得結(jié)果，汽車中的底盤部件要按照一定的負荷值計算出該結(jié)構(gòu)的應力和變形的數(shù)據(jù)。這個案例利用了先進的有限元分析技術(shù)，實現(xiàn)了對車部件以及整車結(jié)構(gòu)的剖析和再創(chuàng)造，可以根據(jù)有限元分析的數(shù)據(jù)與汽車的各部件或整體的性能進行分析比對，實現(xiàn)了汽車各機械部件的優(yōu)化處理，通過車架以及車身的仿真技術(shù)還能實現(xiàn)汽車構(gòu)造的模擬實驗，有利于為確定該汽車設(shè)計的最終方案提供理論依據(jù)。

關(guān)于動力學分析的內(nèi)容主要研究方向是分析結(jié)構(gòu)本身的頻率以及自振式時的特性與諧響應；瞬態(tài)動力學的分析研究方向為機械結(jié)構(gòu)給周期和非周期載荷造成的不同動態(tài)響應，如果是對比較復雜的零件或結(jié)構(gòu)進行的分析，應該在保證其靜態(tài)剛度的基礎(chǔ)上再檢驗該結(jié)構(gòu)的動態(tài)剛度；靜力學的分析是針對機械結(jié)構(gòu)在受到承載之后的情況分析，這也是在有限元分析中最為基礎(chǔ)的分析技術(shù)；除了以上還有熱應力分析，這項技術(shù)分析主要研究的方向是：機械結(jié)構(gòu)實際的作業(yè)溫度不符合安裝溫度時候的機械部件內(nèi)部中關(guān)于溫度的應力。

3 結(jié)束語

總而言之，在機械設(shè)計領(lǐng)域中利用有限元分析法，可以在最大程度上減少機械設(shè)計以及產(chǎn)品開發(fā)的時間，有效的縮短了產(chǎn)品投入生產(chǎn)的周期，有限元分析的技術(shù)還可以在確保精準數(shù)據(jù)運算的同時，實現(xiàn)機械設(shè)計的不斷優(yōu)化。有限元分析法在未來的機械設(shè)計領(lǐng)域中，會成為工程設(shè)計技術(shù)應用的主流趨勢，隨著科學技術(shù)的快速發(fā)展，相信有限元分析的技術(shù)會在應用實踐中得到更大的突破，從而為人類帶來更大的利益。

[1]王遠東.有限元分析在煤礦機械設(shè)計中的問題與對策[J].山西煤炭管理干部學院學報，2015（3）：188～190.

[2]廖云祥.冶金機械設(shè)計中有限元分析技術(shù)的應用[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2013（9）：99.

[3]姜春林，姜波，張勇.有限元分析在機械設(shè)計方面的應用價值[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2013（33）：113～115.

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2016-1-10