有限元法在機械設(shè)計中的應(yīng)用

郭偉

摘? 要：近年來，有限元法憑借其獨特的優(yōu)勢取得了迅猛的發(fā)展，而在機械設(shè)計當(dāng)中，同樣也有該種方法的運用。而基于此，該文中則先對有限元法進行了概述，主要包括其具體概念的說明，以及相應(yīng)優(yōu)勢的分析和其未來應(yīng)用發(fā)展的分析。

關(guān)鍵詞：有限元法? 模型簡化? 劃分

中圖分類號：F407.4 ? ?文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? 文章編號：1672-3791（2019）04（c）-0073-02

在機械設(shè)計當(dāng)中，具體應(yīng)用有限元法之時，其應(yīng)用過程可以大致劃分為四個階段。分別是簡化階段、劃分階段、定義階段以及運行階段，而其中在定義階段又具體涉及到了許多方面的定義，包括幾何特征，相應(yīng)的材料等等多個方面。另外最后的運行階段更多的則是指數(shù)據(jù)輸入之后得出結(jié)果的階段。有關(guān)于運行階段的部分，所以該文中在介紹有限元法在機械設(shè)計中的應(yīng)用之時，則主要是對其簡化階段，劃分階段以及部分方面的定義進行了分析。

1? 有限元法概述

1.1 有限元法概念說明

首先單就有限元法這一單純的概念來說，其發(fā)展的時間相較于其他概念而言還十分短暫，尚且不足100年，但是其發(fā)展態(tài)勢卻極為迅猛，目前已經(jīng)涉及了多個學(xué)科領(lǐng)域，并且都取得了不錯的應(yīng)用效果。而這一概念也并非是憑空出現(xiàn)的，它的出現(xiàn)是建立在剛架位移法的基礎(chǔ)上的，在保留了這一方法的基本思路的同時，又對其加以拓展，于是便形成了所謂的有限元法。而這一方法，排除過于枯燥的部分，我們也可以將之簡單地理解為，這種方法便是對一個連續(xù)體進行不斷的劃分，我們將之所劃分出的具體部位稱之單元，而這多以三角形或是矩形為主，并且其具體的劃分次數(shù)與最后的結(jié)果緊密相關(guān)，劃分的越多，相應(yīng)的結(jié)果也就更為精確。而在經(jīng)歷過這種劃分之后，其整個的連續(xù)體在某種意義上就不再是一個完整獨立，不可分割的個體，而是由眾多細(xì)小的單元共同構(gòu)成的一個整體。而在這其中，則隱藏了許多種類的位移函數(shù)。而有限元法下一步要做的就是建立相應(yīng)的單元剛度方程，來近似的表現(xiàn)其中所蘊含的各種規(guī)律，這也就是有限元法的簡單概念。而就該種方法的具體應(yīng)用來說，其更多的是以軟件的形式所表現(xiàn)出來的，通過相應(yīng)的軟件來使該種方法真實的應(yīng)用在各個領(lǐng)域之中，使其價值得以真正的展現(xiàn)，而這則有賴于計算機技術(shù)的發(fā)展。所以嚴(yán)格來說，在某種意義上，該種方法在應(yīng)用之時是具有的綜合性的，并不是單一的有限元法的應(yīng)用。

1.2 有限元法優(yōu)勢分析

有限元法具有諸多應(yīng)用優(yōu)勢，首先其具體的應(yīng)用領(lǐng)域限制較少，而這則主要是指其應(yīng)用范圍廣泛，具有跨領(lǐng)域性，不單單是在機械設(shè)計當(dāng)中，在一些其他領(lǐng)域內(nèi)，比如說生物或者是物理領(lǐng)域等都有較為廣泛的應(yīng)用。其次有限元法還具有可實現(xiàn)的應(yīng)用價值。有限元法的原理雖然看似較為簡單，具有一定的可行性，但是其中卻蘊含著大量的數(shù)據(jù)的計算，這不是能夠依靠人力便可完成的。但卻也由于計算機技術(shù)的發(fā)展，正解決了這一問題，計算機代替了手工的計算，能夠支撐起該方法中所涉及到的龐大的計算量，所以也就使得有限元法的這一缺陷得以被彌補，使其能夠真正的出現(xiàn)在現(xiàn)實的各個領(lǐng)域當(dāng)中，所以才稱其具有可實現(xiàn)的應(yīng)用價值，這也是其所具有的，能夠真正促進其迅猛發(fā)展的不可忽視的優(yōu)勢之一。

1.3 有限元法應(yīng)用發(fā)展分析

在未來，有限元法將具有十分廣闊的發(fā)展前景。而在其具體的應(yīng)用當(dāng)中，首先毫無疑問的一點是，相應(yīng)軟件的運行在將來必將會得到進一步的開發(fā)，并且其效率也會得到進一步的提升，相應(yīng)的計算工作得到突破性的優(yōu)化，使其整體的應(yīng)用效率得以提升。其次其未來發(fā)展也將更加的趨向于綜合性的發(fā)展，更多的與新興的技術(shù)相互融合，更為智能，更能夠貼合現(xiàn)實的應(yīng)用狀況，得出更為準(zhǔn)確的結(jié)果。最后未來有限元法的應(yīng)用領(lǐng)域必將會得到進一步的擴展，不單單的局限于其目前所涉及到的應(yīng)用領(lǐng)域之內(nèi)，其具體的覆蓋性與跨度都將會得到進一步的拓展。

2? 有限元法在機械設(shè)計中的應(yīng)用研究

2.1 模型簡化

模型的簡化階段是整個有限元法運行流程當(dāng)中的第一個部分，而所謂的模型簡化，其實簡單的來理解，也就是需要對相應(yīng)的整體中的多余部分進行去除，留下有用的數(shù)據(jù)，以便于后續(xù)的操作。而在具體的進行簡化之時，則不能夠盲目的進行修剪丟棄，而必須要依據(jù)現(xiàn)實的情況，分析其中所存有的多個數(shù)據(jù)，進而對無用的數(shù)據(jù)進行剔除，而對那些明顯有著重要作用的數(shù)據(jù)，則必須要對其予以保留，而進行簡化的最終目的則是為了便于后續(xù)的計算，否則留有許多無用的數(shù)據(jù)存在于整體模型當(dāng)中，將會為后續(xù)的計算工作帶來極大的困擾，所以合理有效的簡化，就能夠在保證最終結(jié)果不出現(xiàn)偏差的情況之下。極大地方便后續(xù)的計算工作。而在這里必須要強調(diào)的一點就是在進行具體的簡化過程當(dāng)中，必須要對數(shù)據(jù)進行具體的分析來進行簡化，而不能盲目的進行。在進行相應(yīng)簡化操作這時，不能完全的依照于相應(yīng)的模型本身，也必須要了解最終的設(shè)計目的，進而來對其中的某些數(shù)據(jù)進行舍棄。而哪怕是構(gòu)成相似的模型，但由于其最終設(shè)計目的的不同，在進行模型簡化之時，其所要舍棄的數(shù)據(jù)相應(yīng)的也會有所差異，所以則必須要進行詳細(xì)細(xì)致的分析。模型的簡化對后續(xù)的計算工作有著十分重要的作用，不可忽視。

2.2 模型劃分

在進行模型劃分之時，其中所涉及到的具體要點較少，主要只有兩點，一是必須要依據(jù)具體的模型狀況，根據(jù)其具體的形態(tài)來進行合理劃分，一切以現(xiàn)實模型為主。其二則是在劃分之時要注意其劃分的次數(shù)情況，要盡可能的進行細(xì)致的劃分，因為在有限元法的應(yīng)用當(dāng)中，其最終劃分的單元的數(shù)目與其細(xì)致程度是與最后的結(jié)果有著十分密切的關(guān)系的。簡單來說劃分的越細(xì)，結(jié)果越精確，所以這一點也是在劃分之時要注意的。

2.3 幾何及材料特性定義

幾何以及材料特征是兩個不同的定義類型，首先就幾何特征來說，這則主要是要依據(jù)具體的數(shù)據(jù)要求來對相應(yīng)的模型輸入相應(yīng)數(shù)據(jù)，以使其擁有某種類型的幾何特征。而在具體的進行輸入之時也同樣不可盲目輸入，對于不同的模型來說都有著不同的輸入要求，必須要求設(shè)計者仔細(xì)地對其進行辨別，進而有針對性地進行輸入。其次所謂材料特性的定義則主要是指對于整體模型當(dāng)中的各個構(gòu)成部分來賦予相應(yīng)的材料參數(shù)。而在這里值得一提的是，并非所有的定義方式都是相同的，尤其是對于那些非線性變比的材料來說，則必須要考慮到其所發(fā)生的各類變化情況，做好擬合計算，之后才可進行定義。

2.4 接觸及載荷定義

通過前文對于幾何以及材料特性定義的描述，相信大家已經(jīng)能夠理解所謂的定義，簡單理解其實也就是對模型的某個部位或是某個方面賦予相應(yīng)的數(shù)值，以體現(xiàn)某些性質(zhì)，而所謂的接觸定義以及載荷定義，其實也無非就是對其相應(yīng)的接觸情況和載荷情況來進行相應(yīng)的賦值，使其具有相應(yīng)性質(zhì)，以模擬現(xiàn)實狀況。而其具體的定義條線，則需要以具體的接觸情況為依據(jù)來進行確定，另外前文中所提及到材料性質(zhì)的定義就是進行接觸定義當(dāng)中不可或缺的一個前提條件。也只有充分的了解了各個方面的具體情況，與現(xiàn)實情況進行對比模擬，充分地考慮到其具體的應(yīng)用狀況之后，才能真正的做好接觸以及載荷方面的定義。

3? 結(jié)語

在機械設(shè)計當(dāng)中，有限元法的應(yīng)用為其帶來了極大的便利性，有效地降低了成本，提高了設(shè)計質(zhì)量。但不可否認(rèn)的是，目前此方面的應(yīng)用還不夠完善，但相信這只是暫時的情況，在未來，有限元法必將會得到進一步的完善，也必能促進機械設(shè)計方面的發(fā)展。

參考文獻

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[2] 徐其偉，郭少華.淺談有限元法在機械設(shè)計中的應(yīng)用[J].山東工業(yè)技術(shù)，2017（20）：36.