基于有限元分析探究工程機械結(jié)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(fā)展的21世紀，計算機技術如今已經(jīng)在我國各行各業(yè)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(chuàng)新和發(fā)展，有限元就是其中發(fā)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(yōu)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(yōu)勢及不足進行了分析，明確了有限元在工程機械結(jié)構問題上的應用步驟，并對有限元法在現(xiàn)代機械工程結(jié)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(jié)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(yè)要想在如此激烈的市場競爭環(huán)境下占得先機，就必須對產(chǎn)品的成本及質(zhì)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(yè)需要創(chuàng)新研發(fā)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(fā)展出來的有限元法，也為工程機械結(jié)構設計領域提供了新的發(fā)展思路，有限元法在工程機械結(jié)構設計方面具有得天獨厚的優(yōu)勢，其在產(chǎn)品設計和研發(fā)方面的作用越發(fā)不可代替，如今更是已經(jīng)成為工程機械制造企業(yè)在市場競爭中占得先機的必備工具之一。

一、有限元的優(yōu)勢及不足

有限元法是在計算機技術不斷發(fā)展而形成的一種CAE技術，有限元具有很多優(yōu)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(zhì)工程結(jié)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(tǒng)化和標準化，而且有限元還能利用圖形來實現(xiàn)對結(jié)果的迅速計算。其還能對許多較為復雜的材料結(jié)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(yōu)化。有限元法的使用，使得數(shù)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(xiàn)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(wǎng)絡自適應技術，而網(wǎng)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(jīng)驗才能對網(wǎng)、密度進行選取。

二、基于有限元在工程機械結(jié)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(shù)量的單元，這些單元數(shù)量的規(guī)劃，要根據(jù)實際需求及計算的精度來進行確定。而且，單元規(guī)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(chǎn)生的變形情況也會更加接近，但計算量也會隨著數(shù)量的增加而增漲。其次，待單元數(shù)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(zhì)進行研究和分析，以此確立節(jié)點位移與單元節(jié)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(jié)點力給予計算，通過等效節(jié)點力來替代單元承受的所有力。再次，是需要依據(jù)結(jié)構平衡及邊界條件，通過原有結(jié)構分析，來使各單位進行重新的聯(lián)結(jié)，以此促使矩陣整體剛度的形成。最后，需要對未知的節(jié)點中位移狀況給予計算，通過有限元方程公式，來對結(jié)果進行計算，并尋找節(jié)點進行位移以后，節(jié)點位移的所有未知量，并通過有限元方程進行計算結(jié)果。從上述內(nèi)容可以了解到，有限元法能夠廣泛的應用于聲學、熱、結(jié)構及電磁等方面的分析。

三、基于有限元在工程機械結(jié)構問題上的思考

（一）靜力學研究

在工程機械結(jié)構設計當中，如果結(jié)構載荷不會隨時間而發(fā)生變化，或者隨著時間的不斷流逝，結(jié)構變化不夠明顯，就應該對工程機械結(jié)構的靜力學做出研究，有限元法需要分析結(jié)構受力以后結(jié)構所產(chǎn)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(jié)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(jié)構當中，機械零部件在工作狀態(tài)下不僅會產(chǎn)生靜荷載，還會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，而這必然會使機械結(jié)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(jié)構設計時，不僅要考慮其靜態(tài)下的剛度需求，還要考慮對動態(tài)剛度采取檢驗措施，以使有限元法得以順利實現(xiàn)。

（三）熱應力研究

工程機械結(jié)構中有限元法的應用主要是對該結(jié)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(jié)構在工作狀態(tài)時內(nèi)部溫度的應力情況研究，以及內(nèi)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(jié)構上的接觸研究，主要是對不同結(jié)構間彼此接觸所產(chǎn)生的法向力，以及接觸面的狀態(tài)情況進行研究。機械結(jié)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(jié)構的研究上也主要是用于接觸狀態(tài)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(jié)構中對觸觸研究的實踐性內(nèi)容較少。

（五）屈曲研究

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

四、結(jié)語

本文通過對有限元在工程機械結(jié)構問題上的優(yōu)勢及不足進行了探討，并明確了有限元法在工程機械結(jié)構問題上的計算步驟，并基于有限元法在工程機械結(jié)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(jié)構領域中的應用，使得企業(yè)在進行工程機械結(jié)構設計時，極大的縮短了開發(fā)周期，使工程機械結(jié)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(jié)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(yè)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(yè)；楊繼盛，男，工程師，西安巨浪精密機械有限責任公司研發(fā)部部長，長期從事機床的設計制造與管理工作。