試析有限元法于機械設計中的運用

高新紅

（成都航空職業技術學院，四川 成都 610000）

到現在為止，中國已將有限元法廣泛應用到了各類科學計算及理論分析之中，有限元法能夠解決諸多科學設計過程中的復雜問題，特別是在機械設計過程中的運用對于機械設計的發展而言具有舉足輕重的作用。

一、有限元法概述

有限元法的創造歷史可上溯至七八十年前，那時一部分美國人于結構矩陣的研究方面取得了相應成效，之后有人便以這些成效為依據創造出了鋼架位移方法，并把它運用到了彈性力學平面的研究之中，即將某些連續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以近似的方法展現出來。隨后，鑒于科學技術的持續前進，電腦的水平也有了特別大的提升，有限元法便隨之發展了起來，由于有限元法在產品的設計及研究過程中具有至關重要的作用，因此有限元軟件受到了越多越多專業人士的青睞，同時其于機械設計中的運用也日漸廣泛。

二、有限元法于機械設計中的運用

我們將有限元法運用于機械設計中，事實上是采用有限元程序將有限法及其理論借助電腦展現于機械設計過程中。本文以一種由內襯套、外襯套及天然橡膠組成的橡膠襯套為例，詳細的介紹有限元法于機械設計過程中的運用。

（一）模型簡化

模型簡化即將模型中那些不會對模型整體造成特別大影響的部分去除，比方說，機械設備中的圓角，抑或倒角等部分。之所以這樣做是由于保留此類成分將對機械單元格整體質量造成不良反應，特別是在增大運算量之后特別難收斂分析結果。針對與橡膠襯套相類似的機械設計，在對其徑向剪裁展開研究時，對橡膠里的襯套固定和橡膠的形變展開分析，同時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

單元格劃分即對機械整體模型展開離散處理，如此做能夠幫助技術人員更好地自離散的數據里找到模擬研究的規律。此外，在實施單元格劃分時應以不同機械模型需求為依據創建相對應的有限數據集合，如此便可以確保設計結束后的材料選取及邊界條件的定義。

（三）機械幾何屬性

設計人員在進行機械設計制造時，理應以新產品的幾何屬性為依據創建相應的模型，因此設計人員在制作模型時必須先對模型的幾何屬性進行定義，比方說，機械模型中某些零件的變力及熱傳導等屬性的研究等。鑒于不同的機械模型所具有要求是不一樣的，因此設計人員在設計的過程中，理應以實際為依據，具體問題具體分析，以制作出最佳的機械模型。此外，此處應對材料屬性的定義問題進行強調，對于已然制造完成的機械模型，設計人員理應對模型中起決定性影響的部分創建材料參數，針對大部分金屬同類材料則只要創建楊氏模量便可以了，但是對于那些非線性變化的材料，必須把它壓縮及拉伸的應力轉變轉進電腦里展開研究，最后再借助于電腦的擬合給予模型相對應的參數。

（四）接觸條件及載荷情況

針對接觸條件的定義應以機械模型諸部分構成的接觸情況為依據確定，以橡膠襯套為例，橡膠于受力后特別容易產生形變，這屬于橡膠間的接觸，橡膠即稱為變形體，但外襯套及內襯套不會出現形變，則可稱其為剛體。待接觸條件定義好后，機械模型的材料及受力等細節便基本明確了，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行確定。

（五）定義作業及單元類別

針對已經定義好的載荷情況機械模型，設計人員應將其帶入到作業里進行更仔細的處理。假如對象為更復雜的機械模型則需運用初始載荷定義，最終還應采用具體的研究操作類型與設計結果進行研究。此外，在有限元軟件里，類型不一樣的結構，其單元類型也不一樣，因此在此種情況下，設計人員理應運用現代電腦技術對單元類型展開定義。

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節：（1）構造幾何模型；（2）劃分有限元網格；（3）生成、核對及輸入模型的幾何、載荷及邊界條件數據等；第二部分，有限元分析。展開單元分析及整體分析，計算位移及應力值等數據；第三部分：有限元后處理。對計算結果展開研究及整理，同時用圖形方式輸出，如此設計者便可對設計結果展開直觀的判斷及適時的修改。

四、有限元發展趨勢研究

有限元的運用對于企業的發展而言具有至關重要的作用，它不但可以促進企業設計效率的提升，有利于企業設計方案的完善，同時還能夠起到減少產品開發時間的作用。現如今，CAE技術對生產所起到的巨大促進作用已經受到了越來越多企業及技術人員的關注，無庸置疑，有限元法的運用范圍在今后將更廣泛，其發展也將有更大的突破。

結語

總而言之，有限元法的運用對于機械設計行業的發展來說具有特別大的促進作用，它有利于機械設計企業設計效率提升，同時還可以為企業節省較多的人力及物力資源，對機械設計企業的發展而言有百利而無一害。所以各機械設計企業及相關技術人員理應給予有限元法應有的重視，在生產及經營活動中充分運用有限元法展開機械的設計，以更好地促進科技的進步，社會的發展，進而推動中國經濟的可持續發展。

[1]陳健，史寶奇，周驥平，朱興龍.有限元方法及其應用[M].北京：科學出版社，2006（05）.

[2]俞銘華，吳劍國，曹驥，王林，管義鋒.有限元法與面向對象編程[M].北京：科學出版社，2004（10）.