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      1. 談現(xiàn)代機(jī)械工程中有限元法的應(yīng)用

        時間:2023-02-25 19:11:16 理工學(xué) 我要投稿
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        談現(xiàn)代機(jī)械工程中有限元法的應(yīng)用

          早期有限元分析法主要用于平面結(jié)構(gòu)問題求解,下文是分析現(xiàn)代機(jī)械工程中有限元法的應(yīng)用論文。

          在計算機(jī)科技日益普及和發(fā)展的局勢下,有限元分析法已由單一的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算延伸至多個技術(shù)領(lǐng)域,變成一種高效、可靠的數(shù)值分析技術(shù)。該方法在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計過程中所展現(xiàn)出優(yōu)勢,使得它逐漸成為企業(yè)獲得市場競爭勝利的重要工具,F(xiàn)圍繞有限元分析方法,對其在現(xiàn)代機(jī)械工程中的實際應(yīng)用進(jìn)行分析,具體內(nèi)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(jìn)行確定。通常情況下,有限單元劃分的越細(xì)致,單元描述將越準(zhǔn)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(jìn)行優(yōu)化選擇。有限元分析法大多運(yùn)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(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析,根據(jù)單元材質(zhì)、形態(tài)、規(guī)格和位置,確定節(jié)點力與節(jié)點位移間的相互關(guān)系式,再導(dǎo)出單元對應(yīng)的剛度矩陣,此為分析過程的重點步驟;最后對等效節(jié)點力進(jìn)行計算,對有限單元邊界中的體積力、集中力與表面力進(jìn)行轉(zhuǎn)移,使用完全等效的節(jié)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(yùn)用結(jié)構(gòu)力自帶平衡、邊界條件將所有單元按照原始結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新聯(lián)結(jié),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(xù)計算等步驟奠定基礎(chǔ)。

          1.4 位移求解

          通過對有限元方程的求解得出各個節(jié)點實際位移,再根據(jù)位移情況得出全部未知量。經(jīng)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(yùn)用該方法進(jìn)行求解。所以有限元分析法在當(dāng)前的很多領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)的力學(xué)方式比較,有限元分析法主要具備如下優(yōu)勢:①可對形狀復(fù)雜、非均質(zhì)工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析;②可在計算過程中對復(fù)雜材料本構(gòu)關(guān)系、荷載與條件進(jìn)行模擬;③支持多類型結(jié)構(gòu)動力分析;④憑借前、后處理技術(shù)快速發(fā)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(jié)果進(jìn)行表達(dá),進(jìn)而達(dá)到確保工程方案最優(yōu)化的目標(biāo)。

          2 現(xiàn)代機(jī)械工程有限元分析法應(yīng)用

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

          基于上述三種特征,在現(xiàn)代化機(jī)械工程領(lǐng)域,有限元分析法的實際應(yīng)用相對較少。通常只對關(guān)鍵性零件實施有限元分析。然而,伴隨機(jī)械工業(yè)的發(fā)展,當(dāng)前的機(jī)械工程已不能離開有限元分析法的幫助。

          通過實踐得知,現(xiàn)代機(jī)械工程領(lǐng)域中,有限元分析法的實際應(yīng)用體現(xiàn)在如下幾方面。

          2.1 靜力學(xué)分析

          主要是對機(jī)械結(jié)構(gòu)在承載以后的應(yīng)變、應(yīng)力與變形進(jìn)行分析,靜力學(xué)分析是有限元分析法在現(xiàn)代機(jī)械工程當(dāng)中最基本與常用的分析方法。如果作用于機(jī)械結(jié)構(gòu)的實際載荷不能伴隨時間發(fā)生變化,或隨時間變化較為緩慢,則可使用靜力學(xué)分析法進(jìn)行分析。

          2.2 模態(tài)分析

          模態(tài)分析屬于動力學(xué)分析,主要在結(jié)構(gòu)固有頻率與自振形式分析中應(yīng)用。開展模態(tài)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(yù)應(yīng)力載荷。

          2.3 諧響應(yīng)與瞬態(tài)動力學(xué)分析

          這兩種分析方法同屬動力學(xué)分析范疇,適用于結(jié)構(gòu)對于周期、非周期荷載響應(yīng)的研究。

          2.4 熱應(yīng)力分析

          如果機(jī)械結(jié)構(gòu)工作溫度和安裝溫度存在較大出入,或在工作過程中結(jié)構(gòu)內(nèi)存在一定溫度分布,可采用熱應(yīng)力分析法對溫度應(yīng)力等進(jìn)行分析,以掌握溫度應(yīng)力對結(jié)構(gòu)造成的影響。

          2.5 接觸分析

          接觸分析為狀態(tài)非線性分析的一種,在兩個結(jié)構(gòu)產(chǎn)生接觸后的法向力與狀態(tài)分析中應(yīng)用。在機(jī)械結(jié)構(gòu)中,由于機(jī)構(gòu)之間的作用力傳遞都是以借助的形式完成的,因此在現(xiàn)代機(jī)械工程領(lǐng)域,應(yīng)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(yīng)用于結(jié)構(gòu)逐漸失穩(wěn)時臨界荷載與屈曲模態(tài)形狀分析以及典型的有壓桿的穩(wěn)定性分析中。

          3 有限元分析法的未來發(fā)展趨勢

          早期有限元分析法主要用于平面結(jié)構(gòu)問題求解,通過多年的發(fā)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(tài)力學(xué)求解延伸至動態(tài)力學(xué)求解,從結(jié)構(gòu)力學(xué)延伸至流體、電磁與傳熱的多種綜合學(xué)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(lǐng)域延伸至電子、水利、機(jī)械、土建等,它的應(yīng)用范圍出現(xiàn)了巨大的拓展。

          有限元分析法的發(fā)展歷程與計算機(jī)科技進(jìn)步是有密切聯(lián)系的,簡言之,就是計算機(jī)科技的不斷發(fā)展造就了如今的有限元分析法。對于一個復(fù)雜問題,在過去往往需要花費(fèi)大量的時間進(jìn)行求解,而且還無法保證求解正確性,而在應(yīng)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(jié)果。由此可見,隨著計算機(jī)科技的深入發(fā)展,有限元分析法必將得到更廣泛的應(yīng)用,在不久的將來會成為普遍、有力的工具。

          4 結(jié)束語

          有限元分析法始終處在不斷發(fā)展,在現(xiàn)代機(jī)械工程中運(yùn)用有限元分析法對提升機(jī)械工程設(shè)計水平、優(yōu)化現(xiàn)有方法、縮減產(chǎn)品開發(fā)研制周期與保證機(jī)械產(chǎn)品可靠性有十分重要的作用;诖,更多企業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)人認(rèn)識到有限元技術(shù)所能帶來的巨大收益,同時在實踐中不斷加強(qiáng)技術(shù)應(yīng)用,并取得了相對較好的成果

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