機(jī)械結(jié)構(gòu)誤差分析中有限元法的運(yùn)用

方 芳

(黑龍江省機(jī)械科學(xué)研究院，哈爾濱 150001)

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機(jī)械結(jié)構(gòu)誤差分析中有限元法的運(yùn)用

方 芳

(黑龍江省機(jī)械科學(xué)研究院，哈爾濱 150001)

有限元法是一種成熟的分析方法，在機(jī)械結(jié)構(gòu)的誤差分析中至關(guān)重要，因其重要性以及自身優(yōu)點(diǎn)，它被廣泛運(yùn)用于機(jī)械結(jié)構(gòu)的誤差分析當(dāng)中，以便提高機(jī)械結(jié)構(gòu)的精確度和穩(wěn)定性。隨著信息技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，有限元法的使用范圍會(huì)日益擴(kuò)大，其用途也會(huì)與日俱增。

機(jī)械結(jié)構(gòu)誤差；有限元法；誤差分析

1 結(jié)構(gòu)化模式分析

在具體施工過(guò)程中，人們需要對(duì)一些便攜式設(shè)備進(jìn)行人工移動(dòng)，因此對(duì)設(shè)備的重量提出了要求，要使設(shè)備重量控制在工作人員可以承受的范圍之內(nèi)。針對(duì)這一要求，一般情況下便攜式設(shè)備的殼體材料都是由重量相對(duì)較輕的塑料所組成。另外，在工作人員移動(dòng)便攜式設(shè)備的過(guò)程中，還需設(shè)備能夠承受相應(yīng)的重量。與此同時(shí)，設(shè)計(jì)人員還要充分考慮到在移動(dòng)設(shè)備過(guò)程中避免因碰撞給設(shè)備帶來(lái)的損壞，這就要求移動(dòng)設(shè)備還要具有一定的剛度和強(qiáng)度。

2 殼體模型建設(shè)

2.1 殼體模型單元化設(shè)置

在綜合考量殼體模型化空間之后，對(duì)殼體的精度和時(shí)間進(jìn)行了計(jì)算，最終選擇的模型為BRICK SOLID 45。

2.2 殼體材料模型設(shè)計(jì)

研究所選用材料型號(hào)為ABS+PC的塑料，同時(shí)在研究過(guò)程中采用的都是最小應(yīng)力，因而此次選擇具有彈性的材料。

2.3 模型建立

在CATTA軟件中，殼體主要由幾個(gè)配件組成，因而在將其導(dǎo)入ANSYS系統(tǒng)時(shí)，每個(gè)零件之間也是相互獨(dú)立的。針對(duì)這一情況，在對(duì)ANSYS系統(tǒng)中有限元進(jìn)行分析時(shí)，可將這些零件看成一個(gè)整體，之后對(duì)約束條件進(jìn)行真實(shí)模擬，最后將系統(tǒng)中的零件轉(zhuǎn)換成為一個(gè)完整的整體。

2.4 設(shè)置網(wǎng)格類(lèi)型

依據(jù)設(shè)置好的材料和單元類(lèi)型，選取對(duì)應(yīng)實(shí)體，然后對(duì)系統(tǒng)中的殼體進(jìn)行網(wǎng)格類(lèi)型劃分。

2.5 設(shè)置有限元載荷和邊界條件

在實(shí)際建立模型的過(guò)程中，因殼體模型的受力面主要集中在背面，載荷受到的也是橫向的彎曲力。因此，可以將殼體后板看作近似四邊鉸支的結(jié)構(gòu)。此外，因殼體在實(shí)際工作中受到的荷載力是一種隨機(jī)的作用，因而在進(jìn)行模擬時(shí)，應(yīng)將荷載力集中在殼體變形區(qū)域最大的位置處，唯有這樣，才能使零件設(shè)計(jì)滿足要求。依據(jù)薄板受到力量會(huì)導(dǎo)致變形這一特性可知：若是荷載的作用點(diǎn)位置集中在殼體的中心位置時(shí)，此時(shí)殼體的變形量可達(dá)最大。因此，可在殼體的中心處施加重量為150 N的橫向作用力，并在殼體側(cè)面分別沿三個(gè)軸向(x、y、z)進(jìn)行位移約束。

2.6 求解

可以通過(guò)增加殼體零件的厚度來(lái)達(dá)到增加零件剛度的目的，然而，這樣會(huì)相應(yīng)地增加殼體材料的使用，既增加產(chǎn)品生產(chǎn)成本，還會(huì)增加零件的重量。為了達(dá)到最初的設(shè)計(jì)需求，最終采取了強(qiáng)化位置設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋的方法，有效解決了零件剛度不夠的問(wèn)題。這就要求精確計(jì)算出在零件的什么位置需要進(jìn)行加強(qiáng)，但這在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中很難完成，一般情況下零件都是不規(guī)則的形狀，在實(shí)際情況下很難達(dá)到理想的狀態(tài)。針對(duì)這一情況，我們并未在殼體零件上設(shè)計(jì)過(guò)多的加強(qiáng)筋，此外還進(jìn)行了量化設(shè)計(jì)，通過(guò)ANSYS軟件對(duì)殼體零件實(shí)施了有限元分析。首先，分析殼體在實(shí)際使用過(guò)程中的受力情況。一般情況下，處于彈性變形范圍內(nèi)的應(yīng)力和彈性都是線性關(guān)系。其次，通過(guò)ANSYS軟件處理器尋找出應(yīng)該變大的區(qū)域，這一區(qū)域就是應(yīng)該加強(qiáng)的區(qū)域。然而，因在使用殼體的過(guò)程中，材料載荷的位置具有隨機(jī)性，所以需要對(duì)情況進(jìn)行簡(jiǎn)化，將殼體表面上每個(gè)點(diǎn)的受力情況看作是相同的，之后將所有的可能性實(shí)施疊加，分析計(jì)算出應(yīng)力較大的區(qū)域范圍，確定出加強(qiáng)筋的具體位置，最終達(dá)到最初的設(shè)計(jì)需求。

3 機(jī)械結(jié)構(gòu)誤差分析中有限元法的運(yùn)用

3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中存在一定誤差

力學(xué)是機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中首要考慮的要素，包括動(dòng)力學(xué)、靜力學(xué)和運(yùn)動(dòng)力學(xué)，其他要素如:結(jié)構(gòu)學(xué)、幾何學(xué)以及材料學(xué)必須建立在力學(xué)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)之上。任何一項(xiàng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都為了某種功能的實(shí)現(xiàn)，因此，必須分清設(shè)計(jì)過(guò)程中的主次變量，尤其是忽略眾多的次要變量。為了實(shí)現(xiàn)將變量按照重要性進(jìn)行分類(lèi)的目的，引入了有效元法并且設(shè)定相關(guān)的參數(shù)，衡量變量的重要程度以及對(duì)誤差影響大小的關(guān)鍵因素，在此基礎(chǔ)上設(shè)置一定的方程，就可以反映設(shè)計(jì)過(guò)程中的變量對(duì)誤差的影響程度。然而，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)誤差受多方面影響，例如:設(shè)計(jì)工具出現(xiàn)誤差會(huì)導(dǎo)致機(jī)械結(jié)構(gòu)的誤差；設(shè)計(jì)人員的專業(yè)程度與設(shè)計(jì)水平也會(huì)造成一定的誤差；煩瑣的設(shè)計(jì)工序也會(huì)給機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)一定的誤差。

3.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)制造過(guò)程中存在一定誤差

要想完成機(jī)械結(jié)構(gòu)的制造工作，必須首先考慮制造方法，然后才是制造流程與制造工具。在現(xiàn)實(shí)社會(huì)中，運(yùn)用一定的方法制造出某種機(jī)械結(jié)構(gòu)，從而為生產(chǎn)生活提供服務(wù)，是結(jié)構(gòu)制造的目的。為了將設(shè)計(jì)變成現(xiàn)實(shí)，很好地制造出相應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，必須分清制造過(guò)程中的主次變量，將諸多的次要變量忽略掉。同樣，引入有限元法可以將變量按照重要性進(jìn)行分類(lèi)設(shè)置并設(shè)定出具體的參數(shù)，通過(guò)相關(guān)的方程來(lái)反映出設(shè)計(jì)過(guò)程中變量對(duì)誤差是否存在影響，存在著怎樣的影響。但是，諸多的原因?qū)е铝藱C(jī)械結(jié)構(gòu)制造過(guò)程中的誤差，例如:制造工具所帶來(lái)的誤差；制造人員的熟練程度所造成的誤差；煩瑣的制造工序也會(huì)給機(jī)械結(jié)構(gòu)制造帶來(lái)一定的誤差。

3.3 機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中存在一定誤差

機(jī)械結(jié)構(gòu)所處的外界環(huán)境是機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中首先考慮的要素，其次要考慮一定的摩擦、損耗與材料的老化。結(jié)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)的意義在于更加準(zhǔn)確、持久地輸入某種功能。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)意義，在機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中需要分清主次變量，同時(shí)忽略眾多次要變量。同樣，有限元法的引入可以將變量按照重要性分門(mén)別類(lèi)，并設(shè)定相關(guān)的參數(shù)，通過(guò)相關(guān)的方程來(lái)反映設(shè)計(jì)過(guò)程中變量對(duì)誤差的影響程度。由于參數(shù)的大小可以反映變量的重要程度且對(duì)誤差的大小具有重要影響，所以參數(shù)的設(shè)定相當(dāng)關(guān)鍵。造成機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)誤差的主要原因?yàn)橹車(chē)h(huán)境的突變等所帶來(lái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)的誤差。

誤差是社會(huì)事物中普遍存在的一種現(xiàn)象，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)也不例外，在機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制造與運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)中都會(huì)存在誤差。作為實(shí)際值與理論值的差值，誤差具有不可消除性。只有盡可能地減少誤差的存在，才能更加完善機(jī)械結(jié)構(gòu)，因此必須找出誤差及影響其大小的變量。在尋找變量的過(guò)程中，要注意雖然所有與機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生聯(lián)系的事物都有可能對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生誤差，但并非每個(gè)因素都要考慮作為變量。在眾多變量的選擇過(guò)程中，要重點(diǎn)考慮那些對(duì)最后結(jié)果起重要作用的因素，并分析找出其中起決定性作用的因素，這種起決定性作用的因素才是真正的變量。

在設(shè)計(jì)方程方面，可作如下的考慮:設(shè)誤差為b，各變量設(shè)為a1、a2、a3……aN(a為變量的個(gè)數(shù))，變量所對(duì)應(yīng)的參數(shù)設(shè)定為w、x、y、z……則可得此方程b=w×a1+x×a2+y×a3……聯(lián)立解方程?？梢詫y(cè)得的變量值與誤差帶入該方程中，N個(gè)變量就存在N組觀測(cè)值，也就需要聯(lián)立N個(gè)方程。通過(guò)各個(gè)方程聯(lián)立成方程組，通過(guò)解方程組分別得出參數(shù)w、x、y、z……的值。簡(jiǎn)言之，參數(shù)值就是對(duì)應(yīng)變量對(duì)誤差的影響程度，也稱權(quán)重?？梢酝ㄟ^(guò)權(quán)重的比較得出相應(yīng)結(jié)論，即該變量對(duì)誤差所造成的影響程度。

3.4 有限元法在機(jī)械結(jié)構(gòu)誤差分析中的利弊

在機(jī)械結(jié)構(gòu)誤差分析中，有限元法具有如下優(yōu)點(diǎn)：有限元法理解簡(jiǎn)單且操作方便。隨著信息技術(shù)的日新月異，尤其是計(jì)算機(jī)處理技術(shù)的高速發(fā)展，有限元法對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)誤差分析的作用顯得越來(lái)越重要。由于有限元法在軟件方面具有得天獨(dú)厚的條件，所以不論是大型分析軟件還是小型、微型分析軟件，它都可以順利實(shí)現(xiàn)。有限元法在機(jī)械結(jié)構(gòu)誤差分析方面也不是完全有利的，它仍存在一定的弊端：由于忽略了某些難于找出的變量，會(huì)使最終分析結(jié)果不夠完整甚至出現(xiàn)錯(cuò)誤。另外，針對(duì)一些復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，如:汽車(chē)底盤(pán)、飛機(jī)引擎等，其變量數(shù)以百計(jì)，有限元法的使用就顯得異常復(fù)雜，這就對(duì)計(jì)算機(jī)和其他設(shè)備提出了更高要求。

[1] 姚旭.有限元法在機(jī)械結(jié)構(gòu)模態(tài)分析中的應(yīng)用[J].機(jī)械工業(yè)，2012，(05):41-43.

[2] 邢蕊.基于PLC控制的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].科技傳播，2012，(02):66.

Application of finite element method in mechanical structure error analysis

FANG Fang

(Heilongjiang Institute of Mechanical Science, Harbin 150001, China)

Finite element method is a mature analytical method, which is very important in the error analysis of mechanical structure. It has been widely applied in the error analysis of mechanical structure due to its importance and own advantages, which can improve the precision and stability of mechanical structure. With the development and progress of information technology, the use of finite element method will be expanded.

Mechanical structure error; Finite element method; Error analysis

2016-12-09

方芳(1977-)，女，工程師。

TH122

B

1674-8646(2017)04-0124-02