有限元技術在機械設計中的應用分析

王蔚

摘 要：有限元是一種現代化的計算方法，在機械設計中應用有限元技術，可以全面、科學地分析機械設備的動態(tài)和靜態(tài)性能，為機械設計優(yōu)化與改進提供便利，降低機械產品的加工制作成本，提升產品的可靠性和穩(wěn)定性，縮短設計周期。文章分析了有限元技術的特點，闡述了有限元技術在機械設計中的應用。

關鍵詞：有限元技術；機械設計；應用

近年來，我國機械行業(yè)快速發(fā)展，機械產品結構形式越來越復雜，這對于機械設計提出了更高的要求。有限元技術在機械設計中的應用，簡化復雜的機械設計，利用有限元技術的特點和優(yōu)勢，優(yōu)化機械產品設計，確保機械產品良好的使用性能，延長其使用壽命，不斷提高機械設計水平。

1 有限元技術特點

有限元技術具有較強的實用性和通用性，且有限元軟件系統(tǒng)比較成熟，其應用范圍越來越廣泛。同時，有限元軟件系統(tǒng)的計算能力、后處理和前處理能力較好，在實際應用中，有限元技術具有以下特點：其一，應用功能比較強大，有限元法可以對機械產品進行多場耦合、流程、電磁場、溫度、結構等分析；其二，有限元法可以處理復合材料、混凝土、陶瓷、木材、橡膠、塑料、巖石、土壤、金屬等多種材料，具有良好的適用性；其三，有限元技術可以自動化檢查網格求解精度和單元形態(tài)，并且做好數據的修正；其四，有限元技術包含多個和CAD軟件直接相連的接口，在實際應用中節(jié)通用CAD軟件往往和有限元軟件集成使用，通過CAD軟件合理設計機械零件和部件造型，將機械產品設計模型直接發(fā)送到CAD軟件系統(tǒng)中[1]，合理劃分有限元網格，科學分析和設計，若分析結果無法滿足機械設計要求，則必須重新進行分析和設計，直到滿足相關設計要求，有效提高機械設計效率和水平；其五，有限元技術為機械設計提供完整的開發(fā)環(huán)境，用戶可以結合具體要求，自動化擴充軟設計軟件，包括裂紋擴展規(guī)律、機械結構斷裂判據、自定義流場邊界條件、流體本構、熱本構、結構本構等自定義材料本構以及機械產品自定義單元特性等[2]。

2 有限元技術在機械設計中的應用

2.1 簡化設計模型

在機械設計中運用有限元技術，首先要簡化設計模型，去掉機械設計過程中一些不影響整體分析結果的部分，如圓角、倒角等，由于這些部分會影響產品結構設計單元格劃分質量，并增加難度和計算量，使機械設計結果無法收斂。以架橋機主梁為例，分析架橋機主梁的形變情況和徑向受載，固定架橋機主梁構件，在架橋機主梁沒有孔的徑向上增加載荷，加載速度5mm/min，載荷約5000N，由于該架橋機主梁結構是對稱的，可以只分析1/4截面[3]。

2.1.1 合理劃分單元格

對機械產品結構進行有效離散，仔細分析離散數據，查找這些離散數據之間的規(guī)律，結合不同的機械產品設計模型特點，建立各個單元格的數據集合，便于在定義機械設計模型和材料特性時，方便地選取不同構件和部位。

2.1.2 幾何特性定義

為機械設計產品模型賦予幾何特性，例如機械產品2-D模型的半徑、厚度等，分析機械產品結構的熱傳導、應變和應力情況，對于不同的機械產品模型，其輸入要求也不同，應準確對機械產品進行幾何特性定義。

2.1.3 材料特性定義

按照機械設計要求，分析機械產品結構模型的材料參數，對于機械產品的各向同性材料，準確定義機械產品的泊松比和楊氏模量，對于普通的金屬機械產品，結合材料的非線形變化，在計算機軟件系統(tǒng)中輸入機械材料的壓縮或者拉伸應力應變，采用科學合理的擬合方法，得到機械產品模型系數。

2.1.4 接觸條件

對機械產品設計模型，科學定義不同組成部分的機械結構接觸狀態(tài)，例如，機械產品結構受理以后，相關構件會發(fā)生一定程度的形變，這是機械產品結構之間的一種接觸，機械襯套的外襯套和內襯套受力形變量比較小。

2.1.5 載荷狀況

對機械產品設計模型進行材料、位移、受力定義，然后定義機械產品的工況，選擇合適的載荷條件和邊界條件，采用機械產品設計模型定義收斂方法，按照拉夫森-全牛頓極限收斂準則，機械產品設計疊加次數40步，運算時間約0.7s[4]。

2.2確定材料性能參數

該架橋機主梁結構主要采用Mn16碳素鋼，對機械產品設計模型的各個構件設置材料常數，許用應力[？滓]max=250MPa，泊松比？姿=0.4，密度？籽=7700kg/m3，碳素鋼Mn16彈性模量為2.3×105MPa。

2.3 選擇單元類型

架橋機主梁由多個空間梁單元組成，并焊接在一起，對于主梁型鋼結構，抽象為比較理想的剛接或鉸接桿系結構，按照梁單元對架橋機主梁結構進行有限元分析，簡化結構荷載情況，根據杠桿原理，處理桿件節(jié)點載荷。同時，合理劃分機械設計模型網格，確保機械設計的科學性和精度，網格數量對于機械設計規(guī)模和計算精度有著直接的關系，機械設計精度隨著網格數量的增多而不斷提高，但是這樣會增加計算量，綜合考慮網格數量和機械設計精度，在確保機械設計精度的基礎上，最大程度地減少網格劃分數量[5]。為了適應機械設計計算特點，對于梯度變化較大的主梁結構部位，仔細分析數據變化規(guī)律，合理劃分網格，根據主梁結構的剛度和結構質量情況，確定振型和固有頻率。

2.4 載荷處理

在機械設計過程中應用有限元法，主梁結構節(jié)點主要用于傳遞載荷和力，在架橋機結構剛度方程中，當各個單元有非節(jié)點載荷或者均布載荷時，非節(jié)點載荷轉換為應力比較集中的等效節(jié)點載荷，移置非節(jié)點載荷，約束非節(jié)點載荷單元結構的位移和變形，結合材料力學，計算支反力，對機械產品結構的等效節(jié)點載荷，計算架橋機主梁機械結構的載荷向量，在主梁相關構件或者部位上，主梁外載荷進行簡化，基于有限元模型，正確處理主梁結構載荷。

2.5 計算機械設計工況

分析架橋機主梁結構的應變、應力和靜力，考慮不同工況下架橋機主梁的剛度和強度，結合實際運行情況，當架橋機處于向前延伸的空載階段，吊具和天車重量分配到各個行走車輪上，靜載荷系數約1.3，架橋機主梁下弦桿位置的許用應力[？滓]=250MPa，最大壓應力

158MPa，在機械設計中應用有限元技術進行分析，架橋機主梁結構最大應力小于許用應力，架橋機主梁結構最大變形量約0.43m，處于架橋機主梁結構的最前端，確保機械產品設計滿足實際的架橋機主梁剛度和強度要求。通過有限元技術，分析機械產品結構各個單元的輸出結果，有效提高了機械設計水平。

3 結束語

在機械設計中運用有限元技術，有限元分析主要是通過模擬機械產品的載荷和幾何工況，利用相互作用又簡單靈活的單元結構，簡化機械設計流程，科學構建機械產品設計模型，合理設定機械設計的各項約束條件，利用這種高效實用的數值分析方法，優(yōu)化和改進機械設計，使其滿足剛度、強度和應力要求。

參考文獻

[1]蔣晨.基于有限元技術的板材加工機械優(yōu)化設計與分析[D].東南大學，2012.

[2]李強，高耀東，王昌.有限元法及CAE技術在現代機械工程中的應用[J].機械科學與技術，2013，S2：126-128.

[3]趙增耀.有限元分析在工程機械鋼結構設計及結構優(yōu)化中的應用

[D].長安大學，2011.

[4]廖云祥.冶金機械設計中有限元分析技術的應用[J].企業(yè)技術開發(fā)，2013，9：88-89.

[5]程聯社，楊中平，馮戰(zhàn)勤.有限元法在機械設計中的應用[J].楊凌職業(yè)技術學院學報，2011，3：40-42.