1、有限元分析在机械设计方面的应用价值摘要：伴随着现代科学技术的发展和对产品性能要求的不断提高，产品的设计流程、制造工艺等变得越来越复杂，各个行业之间的竞争越来越激烈，产品的研发工作在不断的进行，在这样的市场环境下，就要求产品的研发部门能够设计出更好的产品。有限元分析已经成为现代科技中数字样机的核心的技术，这样就为企业产品研发和设计提供了有效的帮助，最终使企业能够在竞争中处于不败之地。本文探讨了有限元分析在机械设计方面的应用。 关键词：有限元分析技术 机械设计价值应用 中图分类号：F407.4 文献标识码： A 有限元分析技术简单的说就是运用一定的数学近似法，对真实的物理系统即几何和荷载工程状况进
2、行的模拟，利用单元这个简单而又相互作用的元素和有限数量的未知量对无限未知量的真实系统进行逼近。 1 有限元分析的价值 在整个的设计流程中，有限元分析都被运用到了设计流程的整个过程中。首先，要进行设计概念的粗略评估，而这个评估时间是在概念阶段进行的，在之后的设计阶段对数学样机概念进行引入。简单的说，就是在进行实物测试时，可以运用计算机技术将传统的工作在计算机上进行完成，在之后的测试与生产过程中，你可以做好明显的准备。 有限元分析在企业核心竞争力表现的体现主要起到以下几个方面：第一，有限元分析在企业的竞争过程中，帮助企业大大的缩短了产品的研制周期，在建模和分析过程中采用的计算机实体造型在确定了合理
3、结构参数所需时间的同时，大大的减小了时间的长度，使模型和参数的修改都很方便。第二，降低了开发费用。利用有限元进行分析能够大量的节省费用。第三，有限元分析还有利于运用优化的手段对开发出更加优越的产品。 2 有限元分析在机械设计中的应用 我国以往的机械设计都是一种经验上的设计, 就是仅仅利用现有的资料对新产品进行开发, 再根据经验做一些比较合理的改进, 这种传统的设计方式会浪费很多的时间, 而且生产出的产品机械性能也很差, 不仅生产效率低, 耗费成本也很多,分析原因就是传统的设计方法有限, 没有广阔的选择性, 从而导致设计工作具有很大的盲目性, 并且, 即便是选择出了方案也没有相应的标准来衡量生产
4、效果的好坏。所以, 近些年来我国引用了有限元法,并将其高效的应用于机械设计当中, 采用这样的优化设计既减少了机械设计本身的耗费的人力物力, 也对生产出的零件形状做出了很好的优化, 还减少了材料的消耗, 从而降低了成本, 提高了工作效率以及产品的使用性能。有限元法在机械设计中的应用是目前为止最有效的方法, 它减少了试件的制作, 缩短了设计时间, 还极大的降低了制作成本, 因此, 机械制造行业都争先使用有限元法, 有限元软件也越来越受到机械工程技术人员的青睐。 3 应用实例 案例一：升降臂有限元分析 升降臂的三维 CAD 模型由 Inventor 建立，共 61 个部件组成，如图1 所示，应用 A
5、LGOR 软件为 Inventor 软件提供的插件式接口，直接将CAD 模型导入 ALGOR 中如图 2 所示。 图 1 Inventor 模型 图 2 导入 ALGOR 的模型 应用 ALGOR 软件提供的自动六面体为主导的网格划分功能对于升降臂划分网格，模型的节点数和模型的单位元数量分别为 58 082 个和 80 812 个。升降臂的网格模型则如图 3 所示。 图 3 有限元网格 升降臂为钢结构，其材料为力学参数，则相应的数据为：密度为 7 850 kg/m3，弹性模量为 200 GPa，泊松比 0.29。 本文的分析主要是对升降臂整体刚度进行的，所以对于非线性因素不予考虑，只采用简单的
6、 ALGOR 软件的线性静力分析。 实例二：旋转辊道有限元分析 旋转辊道是通过主驱动带动回转支撑旋转从而实现旋转辊的功能，并通过相应焊接台架的连接环和回转支撑相连。本文主要对旋转辊道中的 14 组旋转辊子进行分析，模型具有结构复杂、荷载较多和尺寸大的特点。在对整个的旋转辊道进行有限元分析之后，可以通过 ALGOR 进行有限元计算，进一步得出旋转辊道的位移和应力，再对旋转辊道的刚度和强度进行量化，就可以发现强度和刚度的控制关键点。再通过一系列的设计比较，可以进一步判断出设计是否能够满足应用要求，从而为旋转辊道的设计与改进提供重要的依据，最终所得出的分析模型为如图 4 和图 5 所示。 图 4 旋
7、转辊道模型 图 5 旋转辊道模型及负荷分布 通过 ALGOR 有限元计算，我们可以得出旋转辊道的位移和应力，可以得出旋转辊道设计要求的满足，并为下一步对旋转辊道结构设计和优化提供可靠的理论依据。分析结果如图 4 和图 5 所示，中节点后，整个模型的节点数分别为 296 868 个和 574 463 个，进而通过对两者的结构实际情况和边界约束与载荷等进行分析，运用 ALGOR 的线性静力功能分析进行对结构的整体刚强度分析可以知道，两图中应力的最大值为 85 MPa，变形的最大值为 5.4mm。 4 有限元分析技术的发展趋势 4.1 更为强大的网格处理能力 运用有限元分析技术对问题进行解决，有一定
8、的过程，此过程中的主要的内容主要包括对离散化的分析对象、计算结果和有限元求解等。通常情况下，结构离散的结果会受到网格质量的影响，只有很少一部分的软件设计能够达到要求，还有很多的分析软件仍然不能达到相应的要求。所以，网格处理能力能够进行网格自动重划分。 4.2 程序面向用户的开放性 随着我国科学技术的不断提高，我国有很多的企业都在不断的对自身的市场进行扩大，并以此来提升自身的企业经济利益，做到对客户需求的进一步满足，并在对软件功能方面做了大量的投资。但是，因为现实中软件的实际应用情况不同，不可能使每一个应用软件者都能够得到相应的满足，所以，在软件的实际使用过程中，要能够保证对软件进行不断的扩充使
9、用。 4.3 由求解线性问题发展到求解非线性问题 我国社会主义建设脚步的不断加快，使当前的线性理论已经远远的不能满足工程材料的有效性，已经不能有效的避免工程中材料破坏、失效等各种问题的出现。想要使这些问题能够有效的得到解决，就必须运用一定的非线性问题进行运算求解。非线性问题相对来说是比较复杂数学问题，学习起来相对的比较困难，所以就需要依靠一定的手段对非线性问题进行计算。 5 结语 综上所述, 本文分析了有限元分析在机械设计中的应用与价值, 并且对有限元软件的开发和利用做了介绍, 随着有限元在机械生产企业中的广泛应用, 企业的设计效率有了显著的提高, 对设计方案也进行了优化, 尤其是缩短了产品开
10、发时间, 节约了成本。虽然我国仍然有很多机械生产企业沿用传统的设计方式, 但是值得欣慰的是已经有很多的企业技术人员认识到 C A E 技术有着很大的发展潜力, 可以极大地提高生产力, 所以, 有限元法的使用一定会越来越受到重视, 希望随着我国有更多的机械生产企业运用有限元法进行机械设计, 会使得社会更加进步, 科技更加发展,从而帮助我国的经济更加迅速的增长。 参考文献 1 朱志飞, 岑松.有限元法新论M.北京: 中国水利水电出版社,2001 2 梁清香, 张根全.有限元法与 MARC 实现M.北京: 机械工业出版社, 2003 3 俞铭华, 吴剑国, 曹骥, 王林, 管义锋.有限元法与面向对象编程M.北京: 科学出版社,2004 4 刘海娥,张思婉.基于 ANSYS 的渐开线啮合齿轮有限元分析J.机械制造与自动化,2010,(1) 5 钟晓勤,刘莹,陆保康.复杂空间问题的强度有限元分析J.机械设计与制造,2010,(7) 6 顾江平.基于案例库的快速设计方法在冶金机械设计中的应用J.江苏冶金,2008,(3) 7 马洪伟,许宝玲,王时松,等.绿色冶金机械设计的关键技术J.科技信息,2012,(2) 作者简介：姜春林（1982-） ，男，本科，主要从事机械设计开发工作，工作单位：荏原机械（中国）有限公司烟台分公司，
