基于有限元分析探究工程機械結構問題的思考

武欣竹 楊繼盛

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201714078

摘要：在計算機技術不斷發展的21世紀，計算機技術如今已經在我國各行各業中得到了廣泛的運用，相應的許多新的技術也得到了不斷的創新和發展，有限元就是其中發展出來的一種先進CAE技術，有限元法如今深受各領域的歡迎，在設計、科學技算及分析方面擁有得天獨厚的優勢 ，從而使很多極為復雜的設計和分析問題變得簡單化，并成功進行了解決。本文對有限元的優勢及不足進行了分析，明確了有限元在工程機械結構問題上的應用步驟，并對有限元法在現代機械工程結構問題的應用做出具體的分析，以此希望能為工程機械領域提供一些參考作用。

關鍵詞：有限元；工程機械；機械結構；常見問題

最近幾年以來，隨著機械制造市場的競爭逐漸激烈化，機械制造企業要想在如此激烈的市場競爭環境下占得先機，就必須對產品的成本及質量采取相應措施，以能對市場進行快速占領，而這也使得企業需要創新研發出一種具有速度快、技術新、成本低的新型設計方法。而計算機技術的不斷普及所發展出來的有限元法，也為工程機械結構設計領域提供了新的發展思路，有限元法在工程機械結構設計方面具有得天獨厚的優勢，其在產品設計和研發方面的作用越發不可代替，如今更是已經成為工程機械制造企業在市場競爭中占得先機的必備工具之一。

一、有限元的優勢及不足

有限元法是在計算機技術不斷發展而形成的一種CAE技術，有限元具有很多優勢，它可以對復雜多樣的幾何體進行模擬功能，以此使非均質工程結構達到實施及研究的目的。當前，有限元軟件在前后處理技術方面得到了充分的改良，使解題步驟越來越趨向于系統化和標準化，而且有限元還能利用圖形來實現對結果的迅速計算。其還能對許多較為復雜的材料結構與荷載關系進行計算，并且能使設計方案進行最大程度的優化。有限元法的使用，使得數學的處理步驟得到了更深入的簡化。當然，有限元法也有它的缺點之處，它的缺點主要表現在對計算時間方面、資源方面及無限求解域方面。而且當前的有限元軟件，仍舊采用著網絡自適應技術，而網絡自適應技術的研究仍有待完善，致使有限元法需要使用者依靠自身經驗才能對網、密度進行選取。

二、基于有限元在工程機械結構問題上的計算步驟

有限元法的計算步驟是：首先，要將待分析的對象離散化，從而離散出有限數量的單元，這些單元數量的規劃，要根據實際需求及計算的精度來進行確定。而且，單元規劃的越細，其對變形狀況的描述情況也就更加精確，與實際所產生的變形情況也會更加接近，但計算量也會隨著數量的增加而增漲。其次，待單元數量離散完畢后，對位移模式進行選擇，然后對這些單元所具備的力學性質進行研究和分析，以此確立節點位移與單元節點力兩者的關系式，導出單元剛矩陣，并將其做為關鍵步驟，然后再對等效節點力給予計算，通過等效節點力來替代單元承受的所有力。再次，是需要依據結構平衡及邊界條件，通過原有結構分析，來使各單位進行重新的聯結，以此促使矩陣整體剛度的形成。最后，需要對未知的節點中位移狀況給予計算，通過有限元方程公式，來對結果進行計算，并尋找節點進行位移以后，節點位移的所有未知量，并通過有限元方程進行計算結果。從上述內容可以了解到，有限元法能夠廣泛的應用于聲學、熱、結構及電磁等方面的分析。

三、基于有限元在工程機械結構問題上的思考

（一）靜力學研究

在工程機械結構設計當中，如果結構載荷不會隨時間而發生變化，或者隨著時間的不斷流逝，結構變化不夠明顯，就應該對工程機械結構的靜力學做出研究，有限元法需要分析結構受力以后結構所產生的變形情況、應力變化等相關狀況，而這也正是工程機械結構中對有限元法的最常見和最基本的應用方式。

（二）動力學研究

在工程機械結構當中，機械零部件在工作狀態下不僅會產生靜荷載，還會產生共振現象，而這必然會使機械結構遭受到損壞，從而失去其原有功能。所以，有限元法在進行零部件結構設計時，不僅要考慮其靜態下的剛度需求，還要考慮對動態剛度采取檢驗措施，以使有限元法得以順利實現。

（三）熱應力研究

工程機械結構中有限元法的應用主要是對該結構的工作及安裝溫度不一致的情況下進行分析的，有限元法的熱應力研究還可以用于結構在工作狀態時內部溫度的應力情況研究，以及內部溫度分布情況的研究。

（四）接觸研究

有限元法在工程機械結構上的接觸研究，主要是對不同結構間彼此接觸所產生的法向力，以及接觸面的狀態情況進行研究。機械結構間力的傳遞形式主要是通過接觸而形成的。所以，有限元在機械結構的研究上也主要是用于接觸狀態的研究。這種接觸研究應歸納于非線性的研究方式，由于過去計算能力受到了制約，制使有限元在機械結構中對觸觸研究的實踐性內容較少。

（五）屈曲研究

有限元法在工程機械結構上對屈曲研究的方法，這種屈曲研究的方法是對結構在出現不穩定狀態的情況下，通過對其臨界狀態所產生的屈曲模態及載荷狀況的形狀進行明確。

四、結語

本文通過對有限元在工程機械結構問題上的優勢及不足進行了探討，并明確了有限元法在工程機械結構問題上的計算步驟，并基于有限元法在工程機械結構問題上的相關研究方法做出了分析。有限元法在工程機械結構領域中的應用，使得企業在進行工程機械結構設計時，極大的縮短了開發周期，使工程機械結構更加科學、合理。

參考文獻：

[1]朱渝春，蹇開林，嚴波.工程機械底架結構有限元分析的技術處理[J].工程機械，2002（10）：1518.

基金項目：陜西省教育廳項目（15JK1380）

作者簡介：武欣竹（1980），女，漢族，陜西渭南人，西安航空職業技術學院航空制造工程學院機械制造與自動化教研室，講師，主要從事航空制造技術的研究及教學工作，2012年機械工程碩士畢業；楊繼盛，男，工程師，西安巨浪精密機械有限責任公司研發部部長，長期從事機床的設計制造與管理工作。