現代機械工程中有限元法的應用探究

現代機械工程中有限元法的應用探究

　　在現代化機械工程領域，有限元分析法的實際應用相對較少。怎樣分析現代機械工程中有限元法的應用?

　　在計算機科技日益普及和發展的局勢下，有限元分析法已由單一的結構強度計算延伸至多個技術領域，變成一種高效、可靠的數值分析技術。該方法在機械產品設計過程中所展現出優勢，使得它逐漸成為企業獲得市場競爭勝利的重要工具�，F圍繞有限元分析方法，對其在現代機械工程中的實際應用進行分析，具體內容如下。

　　1 有限元分析法原理介紹

　　1.1 物體離散化

　　對分析對象施以離散化處理，形成多個有限單元，單元總量需按照實際需求與計算精度進行確定。通常情況下，有限單元劃分的越細致，單元描述將越準確，越接近于實際情況，但這種情況的計算量往往較大。

　　1.2 有限單元的特征分析

　　首先對位移模式進行優化選擇。有限元分析法大多運用位移法，所以先要選取適宜的位移模式;然后對有限單元的基本力學性質進行分析，根據單元材質、形態、規格和位置，確定節點力與節點位移間的相互關系式，再導出單元對應的剛度矩陣，此為分析過程的重點步驟;最后對等效節點力進行計算，對有限單元邊界中的體積力、集中力與表面力進行轉移，使用完全等效的節點力替代作用于有限單元中的力。

　　1.3 有限單元組集

　　充分運用結構力自帶平衡、邊界條件將所有單元按照原始結構進行重新聯結，以此形成一個具有整體性特征的剛度矩陣，完成有限單元的組集，為后續計算等步驟奠定基礎。

　　1.4 位移求解

　　通過對有限元方程的求解得出各個節點實際位移，再根據位移情況得出全部未知量。經過上述分析可知，有限元分析法實際上是偏微分方程的分支。從理論角度講，凡是可以歸納到求解微分方程的問題均能運用該方法進行求解。所以有限元分析法在當前的很多領域都得到了廣泛應用。與傳統的力學方式比較，有限元分析法主要具備如下優勢：①可對形狀復雜、非均質工程結構進行分析;②可在計算過程中對復雜材料本構關系、荷載與條件進行模擬;③支持多類型結構動力分析;④憑借前、后處理技術快速發展，能完成不同方案的對比分析工作，同時借助圖形等對計算結果進行表達，進而達到確保工程方案最優化的目標。

　　2 現代機械工程有限元分析法應用

　　現代機械工程的產品設計、制造與試驗具備如下特征：①現代機械產品的生產批量較大，在實際運行時可不斷積累經驗，并作出適時改進;②很多產品樣機試驗的成本相對較低，而且與計算機模擬相比，更具可靠性;③在實際情況中，大多產品與零件均是依據現有的同種產品與零件完成設計和改造的，所以新產品與零件的性能指標可以通過對現有產品及零件的參考得出。

　　基于上述三種特征，在現代化機械工程領域，有限元分析法的實際應用相對較少。通常只對關鍵性零件實施有限元分析。然而，伴隨機械工業的發展，當前的機械工程已不能離開有限元分析法的幫助。

　　通過實踐得知，現代機械工程領域中，有限元分析法的實際應用體現在如下幾方面。

　　2.1 靜力學分析

　　主要是對機械結構在承載以后的應變、應力與變形進行分析，靜力學分析是有限元分析法在現代機械工程當中最基本與常用的分析方法。如果作用于機械結構的實際載荷不能伴隨時間發生變化，或隨時間變化較為緩慢，則可使用靜力學分析法進行分析。

　　2.2 模態分析

　　模態分析屬于動力學分析，主要在結構固有頻率與自振形式分析中應用。開展模態分析的過程中需要注意，其施加的實際載荷必須是位移或預應力載荷。

　　2.3 諧響應與瞬態動力學分析

　　這兩種分析方法同屬動力學分析范疇，適用于結構對于周期、非周期荷載響應的研究。

　　2.4 熱應力分析

　　如果機械結構工作溫度和安裝溫度存在較大出入，或在工作過程中結構內存在一定溫度分布，可采用熱應力分析法對溫度應力等進行分析，以掌握溫度應力對結構造成的影響。

　　2.5 接觸分析

　　接觸分析為狀態非線性分析的一種，在兩個結構產生接觸后的法向力與狀態分析中應用。在機械結構中，由于機構之間的作用力傳遞都是以借助的形式完成的，因此在現代機械工程領域，應用最頻繁的分析方法就是有限元接觸分析。然而，在過去，由于受到計算水平等方面的限制，使得接觸分析并未得到廣泛普及。

　　2.6 屈曲分析

　　屈曲分析是幾何非線性分析方法，主要應用于結構逐漸失穩時臨界荷載與屈曲模態形狀分析以及典型的有壓桿的穩定性分析中。

　　3 有限元分析法的未來發展趨勢

　　早期有限元分析法主要用于平面結構問題求解，通過多年的發展，已從二維平面延伸至三維立體，從單個物理場求解延伸至多物理場的耦合，從靜態力學求解延伸至動態力學求解，從結構力學延伸至流體、電磁與傳熱的多種綜合學科，從線性延伸至非線性，從彈性材料延伸至彈塑性、黏彈性、塑性與黏塑性，從航空領域延伸至電子、水利、機械、土建等，它的應用范圍出現了巨大的拓展。

　　有限元分析法的發展歷程與計算機科技進步是有密切聯系的，簡言之，就是計算機科技的不斷發展造就了如今的有限元分析法。對于一個復雜問題，在過去往往需要花費大量的時間進行求解，而且還無法保證求解正確性，而在應有有限元分析法以后，相同的問題僅需簡單操作就能得到正確的求解結果。由此可見，隨著計算機科技的深入發展，有限元分析法必將得到更廣泛的應用，在不久的將來會成為普遍、有力的工具。

　　4 結束語

　　有限元分析法始終處在不斷發展，在現代機械工程中運用有限元分析法對提升機械工程設計水平、優化現有方法、縮減產品開發研制周期與保證機械產品可靠性有十分重要的作用。基于此，更多企業的領導人認識到有限元技術所能帶來的巨大收益，同時在實踐中不斷加強技術應用，并取得了相對較好的成果。

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