有限元技术在机械设计中的应用分析

摘 要：有限元是一种现代化的计算方法，在机械设计中应用有限元技术，可以全面、科学地分析机械设备的动态和静态性能，为机械设计优化与改进提供便利，降低机械产品的加工制作成本，提升产品的可靠性和稳定性，缩短设计周期。文章分析了有限元技术的特点，阐述了有限元技术在机械设计中的应用。

关键词：有限元技术；机械设计；应用

近年来，我国机械行业快速发展，机械产品结构形式越来越复杂，这对于机械设计提出了更高的要求。有限元技术在机械设计中的应用，简化复杂的机械设计，利用有限元技术的特点和优势，优化机械产品设计，确保机械产品良好的使用性能，延长其使用寿命，不断提高机械设计水平。

1 有限元技术特点

有限元技术具有较强的实用性和通用性，且有限元软件系统比较成熟，其应用范围越来越广泛。同时，有限元软件系统的计算能力、后处理和前处理能力较好，在实际应用中，有限元技术具有以下特点：其一，应用功能比较强大，有限元法可以对机械产品进行多场耦合、流程、电磁场、温度、结构等分析；其二，有限元法可以处理复合材料、混凝土、陶瓷、木材、橡胶、塑料、岩石、土壤、金属等多种材料，具有良好的适用性；其三，有限元技术可以自动化检查网格求解精度和单元形态，并且做好数据的修正；其四，有限元技术包含多个和CAD软件直接相连的接口，在实际应用中节通用CAD软件往往和有限元软件集成使用，通过CAD软件合理设计机械零件和部件造型，将机械产品设计模型直接发送到CAD软件系统中[1]，合理划分有限元网格，科学分析和设计，若分析结果无法满足机械设计要求，则必须重新进行分析和设计，直到满足相关设计要求，有效提高机械设计效率和水平；其五，有限元技术为机械设计提供完整的开发环境，用户可以结合具体要求，自动化扩充软设计软件，包括裂纹扩展规律、机械结构断裂判据、自定义流场边界条件、流体本构、热本构、结构本构等自定义材料本构以及机械产品自定义单元特性等[2]。

2 有限元技术在机械设计中的应用

2.1 简化设计模型

在机械设计中运用有限元技术，首先要简化设计模型，去掉机械设计过程中一些不影响整体分析结果的部分，如圆角、倒角等，由于这些部分会影响产品结构设计单元格划分质量，并增加难度和计算量，使机械设计结果无法收敛。以架桥机主梁为例，分析架桥机主梁的形变情况和径向受载，固定架桥机主梁构件，在架桥机主梁没有孔的径向上增加载荷，加载速度5mm/min，载荷约5000N，由于该架桥机主梁结构是对称的，可以只分析1/4截面[3]。

2.1.1 合理划分单元格

对机械产品结构进行有效离散，仔细分析离散数据，查找这些离散数据之间的规律，结合不同的机械产品设计模型特点，建立各个单元格的数据集合，便于在定义机械设计模型和材料特性时，方便地选取不同构件和部位。

2.1.2 几何特性定义

为机械设计产品模型赋予几何特性，例如机械产品2-D模型的半径、厚度等，分析机械产品结构的热传导、应变和应力情况，对于不同的机械产品模型，其输入要求也不同，应准确对机械产品进行几何特性定义。

2.1.3 材料特性定义

按照机械设计要求，分析机械产品结构模型的材料参数，对于机械产品的各向同性材料，准确定义机械产品的泊松比和杨氏模量，对于普通的金属机械产品，结合材料的非线形变化，在计算机软件系统中输入机械材料的压缩或者拉伸应力应变，采用科学合理的拟合方法，得到机械产品模型系数。

2.1.4 接触条件

对机械产品设计模型，科学定义不同组成部分的机械结构接触状态，例如，机械产品结构受理以后，相关构件会发生一定程度的形变，这是机械产品结构之间的一种接触，机械衬套的外衬套和内衬套受力形变量比较小。

2.1.5 载荷状况

对机械产品设计模型进行材料、位移、受力定义，然后定义机械产品的工况，选择合适的载荷条件和边界条件，采用机械产品设计模型定义收敛方法，按照拉夫森-全牛顿极限收敛准则，机械产品设计叠加次数40步，运算时间约0.7s[4]。

2.2确定材料性能参数

该架桥机主梁结构主要采用Mn16碳素钢，对机械产品设计模型的各个构件设置材料常数，许用应力[？滓]max=250MPa，泊松比？姿=0.4，密度？籽=7700kg/m3，碳素钢Mn16弹性模量为2.3×105MPa。

2.3 选择单元类型

架桥机主梁由多个空间梁单元组成，并焊接在一起，对于主梁型钢结构，抽象为比较理想的刚接或铰接杆系结构，按照梁单元对架桥机主梁结构进行有限元分析，简化结构荷载情况，根据杠杆原理，处理杆件节点载荷。同时，合理划分机械设计模型网格，确保机械设计的科学性和精度，网格数量对于机械设计规模和计算精度有着直接的关系，机械设计精度随着网格数量的增多而不断提高，但是这样会增加计算量，综合考虑网格数量和机械设计精度，在确保机械设计精度的基础上，最大程度地减少网格划分数量[5]。为了适应机械设计计算特点，对于梯度变化较大的主梁结构部位，仔细分析数据变化规律，合理划分网格，根据主梁结构的刚度和结构质量情况，确定振型和固有频率。

2.4 载荷处理

在机械设计过程中应用有限元法，主梁结构节点主要用于传递载荷和力，在架桥机结构刚度方程中，当各个单元有非节点载荷或者均布载荷时，非节点载荷转换为应力比较集中的等效节点载荷，移置非节点载荷，约束非节点载荷单元结构的位移和变形，结合材料力学，计算支反力，对机械产品结构的等效节点载荷，计算架桥机主梁机械结构的载荷向量，在主梁相关构件或者部位上，主梁外载荷进行简化，基于有限元模型，正确处理主梁结构载荷。

2.5 计算机械设计工况

分析架桥机主梁结构的应变、应力和静力，考虑不同工况下架桥机主梁的刚度和强度，结合实际运行情况，当架桥机处于向前延伸的空载阶段，吊具和天车重量分配到各个行走车轮上，静载荷系数约1.3，架桥机主梁下弦杆位置的许用应力[？滓]=250MPa，最大压应力

158MPa，在机械设计中应用有限元技术进行分析，架桥机主梁结构最大应力小于许用应力，架桥机主梁结构最大变形量约0.43m，处于架桥机主梁结构的最前端，确保机械产品设计满足实际的架桥机主梁刚度和强度要求。通过有限元技术，分析机械产品结构各个单元的输出结果，有效提高了机械设计水平。

3 结束语

在机械设计中运用有限元技术，有限元分析主要是通过模拟机械产品的载荷和几何工况，利用相互作用又简单灵活的单元结构，简化机械设计流程，科学构建机械产品设计模型，合理设定机械设计的各项约束条件，利用这种高效实用的数值分析方法，优化和改进机械设计，使其满足刚度、强度和应力要求。

参考文献

[1]蒋晨.基于有限元技术的板材加工机械优化设计与分析[D].东南大学，2012.

[2]李强，高耀东，王昌.有限元法及CAE技术在现代机械工程中的应用[J].机械科学与技术，2013，S2：126-128.

[3]赵增耀.有限元分析在工程机械钢结构设计及结构优化中的应用

[D].长安大学，2011.

[4]廖云祥.冶金机械设计中有限元分析技术的应用[J].企业技术开发，2013，9：88-89.

[5]程联社，杨中平，冯战勤.有限元法在机械设计中的应用[J].杨凌职业技术学院学报，2011，3：40-42.

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