有限元计算在机械产品设计中的应用

【摘要】随着现代计算机信息技术的不断发展，在多个行业中已经加入了计算机元素，极大地促进了行业的向前发展。在机械产品设计领域中，通过有限元计算机可以实现模拟仿真，从而降低制造成本。本文通过对多个方面专业来对机械产品的有限元分析进行分析，为同行提供一定的参考。

【关键词】机械产品设计；有限元分析；应用

1、引言

随着现代计算机信息技术的不断发展，越来越多的工业产品在设计、研发时借助计算机软件进行，不但提高了设计精度，而且还能够提前对应力、性能等方面进行计算与预测。有限元计算是近几年来在机械产品设计中应用较为广泛的一种程序。通过它实现了设计团队的工作效率，极大地降低了设计成本，为企业创造了更高的经济效益。

2、有限元分析法概述

有限元法最早是在上个世纪五十年代提出的，当初的主要目的是为了处理固体力学问题。后来特纳等人把单元刚架法思路进行推广，开始应用于力学平面领域。有限元法的概念即为通过建立结合点位移与结合点间的单元刚度方程法。有限元理论随着现代计算机信息技术的不断发展得到了迅速的发展，同时它的功能也不断广泛。[1]

3、有限元法在机械产品设计中的应用作用

3.1降低成本

在传统的机械产品设计中，多是采用借鉴改进的方式进行的，通过已有的机械产品图纸进行细微改动或简化处理，通过经验来进行优化设计，总体思路还是不变，这一过程中需要大量的设计工作，周期非常长，通过这种方法设计的产品相对性能差一些，在传统的机械产品设计中多是采用二选一或多选的方案进行的，从多个方案中选择质量最优的方案进行进一步设计。这就造成了工作量非常大。通过有限元法来对机械产品进行设计分析时，可以直接确定出最优的方案，而且设计与修改工作都会容易一些。通过有限元优化设计分析，可以有效减轻机械产品的自重，对零件形状进行优化，从而降低材料消耗，拉动成本下降，能使企业获得更好地经济效益。[2]

3.2提高设计可靠性

在传统的机械产品设计思路中，多是采用实验的办法，把设计的产品经过样品、手工样机、实验样机等多个阶段才能制造出性能完全符合需求的产品，在这一过程中，不但周期较长，而且修改难度增大，造成浪费问题严重。从整体来讲，传统的设计思路无法完全确保设计的可靠性。而采用有限元分析可以直接从计算机中对零件的形状、应力与尺寸进行完全检验，而不再需要真正加工出成品。通过这种精细化的反复模拟，可以有效提高零件设计的可靠性，确保零件产品精度的同时，也提高了产品的质量与应用效果。[3]

3.3有限元法在机械产品设计中的应用案例

本文以橡胶衬套为例来对有限元法进行分析。橡胶衬套主要由内衬套、外衬套与天然橡胶组成。在设计时，首先，要对整个的模型进行简化处理，在模型中对整体分析无作用的部分可以进行清除，如相关的倒角与圆角等。这些因素如果水去除的话，将会对单元格的划分质量产生影响，增大運算量。在对橡胶衬套进行分析时，首先要分析它在径向的受力时，外形发生的变化，内衬套保持固定，在径向增加荷载，当大小为5KN时，加载的速度为5mm/min。当简化橡胶模型后，需要对其进行离散模拟分析，根据不同的模型来分为多个单元格。对于模型要输入基本的尺寸信息，给定模型相关的材料参数，对于非线性比的材料需要把其拉伸或压缩应力曲线输入至计算机，通过拟合来得到更多的系数。[4]

之后分别进行接触条件定义、设定边界定义与载荷工况定义等。把已经设置好的工况信息选择到作业中，结合应力结果，对平面应变进行分析。在提交时，要根据运行结果进行一定的处理，只有在处理后的运行结果，才能更直观地表达在我们面前。[5]

4、有限元软件介绍

有限元软件不仅适用于机械产品领域，对于橡胶、塑料等多个领域都有着良好的应用。一般来讲，设计单位都会选择商业的有限元软件，在近几年来，商业软件在数量与规模上取了长足的进步。现代的有限元软件功能非常强大，具有丰富的材料库，能够实现单元形态与求解精度的检查与修正，能够处理好图像显示，具有多种CAD系统直连接口。CAD软件主要是实现平面的产品轮廓设计，可以进行基本的造型设计，通过一定的传输后，直接在CAE软件中进行有限元网格划分并计算，通过不断的自动修正，大大提高了设计水平与效率，得到现代工程师们的一致认可。另外有限元软件还具有良好的用户开发环境与不错的培训维护能力。随着经济的发展，软件开发商为了获得更多的市场份额，对于用户的需求无法一一满足时，将会给出一个相对开放的环境，由客户根据自己的产品特点对自定义内容进行设置与二次开发。[6]

5、有限元在机械产品中的设计趋势

根据国际上CAE软件的不断发展，有限元分析方法将会向着以下趋势不断前进。首先，为了具有更加全面的适应性，有限元方法将会与更多的CAD软件实现无缝对接，这些良好的对接有利于工程师更加快捷地解决复杂工程中的问题；其次，有限元分析将会具有更为网格处理能力。[7]在实际的工程设计过程中，模型某区域交会容易出现较大的应变，从而导致单元畸变，最终造成求解不能进行下去，所以需要网格自动划分。自动划分网格将会成为裂纹扩展等应变问题分析的必要条件；第三，有限元法将会从处理线性问题发展到处理非线性问题，随着曲面设计在现代造型设计中的比重不断增多，同时对材料等要求不断提高，对于非线性求解器的需求也更多；第四，有限元法将会由单一的结构场发展到耦合场问题的求解，最后是面向所有用户的开放性，让客户列加体会到软件的人性化与适应性，提高应用范围。[8]

6、结语

有限元的设计方法极大地提高了设计企业的工作效率，缩短了设计周期，实现了经济效益的及时化与最大化，通过降低成本，为企业创造了更多的经济价值。有限元分析法将会在未来的机械产品设计中体现着更加重要的作用，随着社会的发展，经济的进步，将会创造出更多的发展思路与经济财富。

参考文献

[1]孙博宇.拓扑优化方法在机械产品设计中的若干关键问题研究[D].合肥工业大学，2012.

[2]胡光忠.模糊可重构设计关键技术研究及其在转向架中的应用[D].西南交通大学，2012.

[3]王灿明.不确定理论在机械产品设计维修中的应用[A].中国运筹学会不确定系统分会.第十一届中国不确定系统年会、第十五届中国青年信息与管理学者大会论文集[C].中国运筹学会不确定系统分会，2013：5.

[4]李进.基于规则和统计的组合类新词识别技术研究及其在机械产品设计中的应用[D].西安电子科技大学，2013.

[5]彭沁.基于篇章的名词省略恢复研究及其在机械产品设计中的应用[D].西安电子科技大学，2011.

[6]满意，朱单群.人性化设计在机械产品设计中的应用[J].南通航运职业技术学院学报，2007，04：56-58.

[7]智晋宁，张洪.三维建模技术在机械产品设计中的应用研究[J].机械管理开发，2010，04：71-72.

[8]王娜，王益轩.虚拟样机技术在机械产品设计中的应用[J].价值工程，2011，15：39-41.

推荐访问:产品设计 有限元 计算 机械