基于有限元分析工程機(jī)械結(jié)構(gòu)問題思考

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摘要:在計算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展的21世紀(jì)，計算機(jī)技術(shù)如今已經(jīng)在我國各行各業(yè)中得到了廣泛的運用，相應(yīng)的許多新的技術(shù)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(jìn)CAE技術(shù)，有限元法如今深受各領(lǐng)域的歡迎，在設(shè)計、科學(xué)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(fù)雜的設(shè)計和分析問題變得簡單化，并成功進(jìn)行了解決。本文對有限元的優(yōu)勢及不足進(jìn)行了分析，明確了有限元在工程機(jī)械結(jié)構(gòu)問題上的應(yīng)用步驟，并對有限元法在現(xiàn)代機(jī)械工程結(jié)構(gòu)問題的應(yīng)用做出具體的分析，以此希望能為工程機(jī)械領(lǐng)域提供一些參考作用。

關(guān)鍵詞:有限元;工程機(jī)械;機(jī)械結(jié)構(gòu);常見問題

最近幾年以來，隨著機(jī)械制造市場的競爭逐漸激烈化，機(jī)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(jī)，就必須對產(chǎn)品的成本及質(zhì)量采取相應(yīng)措施，以能對市場進(jìn)行快速占領(lǐng)，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(shù)新、成本低的新型設(shè)計方法。而計算機(jī)技術(shù)的不斷普及所發(fā)展出來的有限元法，也為工程機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域提供了新的發(fā)展思路，有限元法在工程機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計方面具有得天獨厚的優(yōu)勢，其在產(chǎn)品設(shè)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(jī)械制造企業(yè)在市場競爭中占得先機(jī)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(jī)技術(shù)不斷發(fā)展而形成的一種CAE技術(shù)，有限元具有很多優(yōu)勢，它可以對復(fù)雜多樣的幾何體進(jìn)行模擬功能，以此使非均質(zhì)工程結(jié)構(gòu)達(dá)到實施及研究的目的。當(dāng)前，有限元軟件在前后處理技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)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(fù)雜的材料結(jié)構(gòu)與荷載關(guān)系進(jìn)行計算，并且能使設(shè)計方案進(jìn)行最大程度的優(yōu)化。有限元法的使用，使得數(shù)學(xué)的處理步驟得到了更深入的簡化。當(dāng)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(dāng)前的有限元軟件，仍舊采用著網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)技術(shù)，而網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)技術(shù)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(jìn)行選取。

二、基于有限元在工程機(jī)械結(jié)構(gòu)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(jìn)行確定。而且，單元規(guī)劃的越細(xì)，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(jìn)行選擇，然后對這些單元所具備的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)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(guān)系式，導(dǎo)出單元剛矩陣，并將其做為關(guān)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(gòu)平衡及邊界條件，通過原有結(jié)構(gòu)分析，來使各單位進(jìn)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(jìn)行計算，并尋找節(jié)點進(jìn)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(jìn)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(yīng)用于聲學(xué)、熱、結(jié)構(gòu)及電磁等方面的分析。

三、基于有限元在工程機(jī)械結(jié)構(gòu)問題上的思考

(一)靜力學(xué)研究

在工程機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計當(dāng)中，如果結(jié)構(gòu)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(gòu)變化不夠明顯，就應(yīng)該對工程機(jī)械結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)做出研究，有限元法需要分析結(jié)構(gòu)受力以后結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的變形情況、應(yīng)力變化等相關(guān)狀況，而這也正是工程機(jī)械結(jié)構(gòu)中對有限元法的最常見和最基本的應(yīng)用方式。

(二)動力學(xué)研究

在工程機(jī)械結(jié)構(gòu)當(dāng)中，機(jī)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(jī)械結(jié)構(gòu)遭受到損壞，從而失去其原有功能。所以，有限元法在進(jìn)行零部件結(jié)構(gòu)設(shè)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(yīng)力研究

工程機(jī)械結(jié)構(gòu)中有限元法的應(yīng)用主要是對該結(jié)構(gòu)的工作及安裝溫度不一致的情況下進(jìn)行分析的，有限元法的熱應(yīng)力研究還可以用于結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)時內(nèi)部溫度的應(yīng)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(jī)械結(jié)構(gòu)上的接觸研究，主要是對不同結(jié)構(gòu)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(jìn)行研究。機(jī)械結(jié)構(gòu)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(jī)械結(jié)構(gòu)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(yīng)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(jī)械結(jié)構(gòu)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(jī)械結(jié)構(gòu)上對屈曲研究的方法，這種屈曲研究的方法是對結(jié)構(gòu)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(jìn)行明確。

四、結(jié)語

本文通過對有限元在工程機(jī)械結(jié)構(gòu)問題上的優(yōu)勢及不足進(jìn)行了探討，并明確了有限元法在工程機(jī)械結(jié)構(gòu)問題上的計算步驟，并基于有限元法在工程機(jī)械結(jié)構(gòu)問題上的相關(guān)研究方法做出了分析。有限元法在工程機(jī)械結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中的應(yīng)用，使得企業(yè)在進(jìn)行工程機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計時，極大的縮短了開發(fā)周期，使工程機(jī)械結(jié)構(gòu)更加科學(xué)、合理。

參考文獻(xiàn):

［1］朱渝春，蹇開林，嚴(yán)波．工程機(jī)械底架結(jié)構(gòu)有限元分析的技術(shù)處理［J］．工程機(jī)械，2002(10):15-18.

作者:武欣竹 楊繼盛 單位:西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院航空制造工程學(xué)院 西安巨浪精密機(jī)械有限公司