有限元分析在機械設計方面的應用價值

1、<p>　　有限元分析在機械設計方面的應用價值</p><p>　　摘要：伴隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展和對產(chǎn)品性能要求的不斷提高，產(chǎn)品的設計流程、制造工藝等變得越來越復雜，各個行業(yè)之間的競爭越來越激烈，產(chǎn)品的研發(fā)工作在不斷的進行，在這樣的市場環(huán)境下，就要求產(chǎn)品的研發(fā)部門能夠設計出更好的產(chǎn)品。有限元分析已經(jīng)成為現(xiàn)代科技中數(shù)字樣機的核心的技術，這樣就為企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)和設計提供了有效的幫助，最終使企業(yè)能夠在競爭中處

2、于不敗之地。本文探討了有限元分析在機械設計方面的應用。 </p><p>　　關鍵詞：有限元分析技術 機械設計價值應用 </p><p>　　中圖分類號：F407.4文獻標識碼： A </p><p>　　有限元分析技術簡單的說就是運用一定的數(shù)學近似法，對真實的物理系統(tǒng)即幾何和荷載工程狀況進行的模擬，利用單元這個簡單而又相互作用的元素和有限數(shù)量的未知量對無限未知量的

3、真實系統(tǒng)進行逼近。 </p><p>　　1 有限元分析的價值 </p><p>　　在整個的設計流程中，有限元分析都被運用到了設計流程的整個過程中。首先，要進行設計概念的粗略評估，而這個評估時間是在概念階段進行的，在之后的設計階段對數(shù)學樣機概念進行引入。簡單的說，就是在進行實物測試時，可以運用計算機技術將傳統(tǒng)的工作在計算機上進行完成，在之后的測試與生產(chǎn)過程中，你可以做好明顯的準備。 &l

4、t;/p><p>　　有限元分析在企業(yè)核心競爭力表現(xiàn)的體現(xiàn)主要起到以下幾個方面：第一，有限元分析在企業(yè)的競爭過程中，幫助企業(yè)大大的縮短了產(chǎn)品的研制周期，在建模和分析過程中采用的計算機實體造型在確定了合理結(jié)構(gòu)參數(shù)所需時間的同時，大大的減小了時間的長度，使模型和參數(shù)的修改都很方便。第二，降低了開發(fā)費用。利用有限元進行分析能夠大量的節(jié)省費用。第三，有限元分析還有利于運用優(yōu)化的手段對開發(fā)出更加優(yōu)越的產(chǎn)品。 </p>

5、;<p>　　2 有限元分析在機械設計中的應用 </p><p>　　我國以往的機械設計都是一種經(jīng)驗上的設計, 就是僅僅利用現(xiàn)有的資料對新產(chǎn)品進行開發(fā), 再根據(jù)經(jīng)驗做一些比較合理的改進, 這種傳統(tǒng)的設計方式會浪費很多的時間, 而且生產(chǎn)出的產(chǎn)品機械性能也很差, 不僅生產(chǎn)效率低, 耗費成本也很多,分析原因就是傳統(tǒng)的設計方法有限, 沒有廣闊的選擇性, 從而導致設計工作具有很大的盲目性, 并且, 即便是選擇

6、出了方案也沒有相應的標準來衡量生產(chǎn)效果的好壞。所以, 近些年來我國引用了有限元法,并將其高效的應用于機械設計當中, 采用這樣的優(yōu)化設計既減少了機械設計本身的耗費的人力物力, 也對生產(chǎn)出的零件形狀做出了很好的優(yōu)化, 還減少了材料的消耗, 從而降低了成本, 提高了工作效率以及產(chǎn)品的使用性能。有限元法在機械設計中的應用是目前為止最有效的方法, 它減少了試件的制作, 縮短了設計時間, 還極大的降低了制作成本, 因此, 機械制造行業(yè)都爭先使用有限

7、元法, 有限元軟件也越來越受到機械工程技術人員的青睞。 </p><p><b>　　3 應用實例 </b></p><p>　　案例一：升降臂有限元分析 </p><p>　　升降臂的三維CAD模型由Inventor建立，共61個部件組成，如圖1所示，應用ALGOR軟件為Inventor軟件提供的插件式接口，直接將CAD模型導入ALGOR中如

8、圖2所示。 </p><p>　　圖1 Inventor模型 </p><p>　　圖2 導入ALGOR的模型 </p><p>　　應用ALGOR軟件提供的自動六面體為主導的網(wǎng)格劃分功能對于升降臂劃分網(wǎng)格，模型的節(jié)點數(shù)和模型的單位元數(shù)量分別為58 082個和80 812個。升降臂的網(wǎng)格模型則如圖3所示。 </p><p><b>

9、　　圖3 有限元網(wǎng)格 </b></p><p>　　升降臂為鋼結(jié)構(gòu)，其材料為力學參數(shù)，則相應的數(shù)據(jù)為：密度為7 850 kg/m3，彈性模量為200 GPa，泊松比0.29。 </p><p>　　本文的分析主要是對升降臂整體剛度進行的，所以對于非線性因素不予考慮，只采用簡單的ALGOR軟件的線性靜力分析。 </p><p>　　實例二：旋轉(zhuǎn)輥道有限元分

10、析 </p><p>　　旋轉(zhuǎn)輥道是通過主驅(qū)動帶動回轉(zhuǎn)支撐旋轉(zhuǎn)從而實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)輥的功能，并通過相應焊接臺架的連接環(huán)和回轉(zhuǎn)支撐相連。本文主要對旋轉(zhuǎn)輥道中的14組旋轉(zhuǎn)輥子進行分析，模型具有結(jié)構(gòu)復雜、荷載較多和尺寸大的特點。在對整個的旋轉(zhuǎn)輥道進行有限元分析之后，可以通過ALGOR進行有限元計算，進一步得出旋轉(zhuǎn)輥道的位移和應力，再對旋轉(zhuǎn)輥道的剛度和強度進行量化，就可以發(fā)現(xiàn)強度和剛度的控制關鍵點。再通過一系列的設計比較，可以進

11、一步判斷出設計是否能夠滿足應用要求，從而為旋轉(zhuǎn)輥道的設計與改進提供重要的依據(jù)，最終所得出的分析模型為如圖4和圖5所示。 </p><p>　　圖4 旋轉(zhuǎn)輥道模型 </p><p>　　圖5 旋轉(zhuǎn)輥道模型及負荷分布 </p><p>　　通過ALGOR有限元計算，我們可以得出旋轉(zhuǎn)輥道的位移和應力，可以得出旋轉(zhuǎn)輥道設計要求的滿足，并為下一步對旋轉(zhuǎn)輥道結(jié)構(gòu)設計和優(yōu)化提供可

12、靠的理論依據(jù)。分析結(jié)果如圖4和圖5所示，中節(jié)點后，整個模型的節(jié)點數(shù)分別為296 868個和574 463個，進而通過對兩者的結(jié)構(gòu)實際情況和邊界約束與載荷等進行分析，運用ALGOR的線性靜力功能分析進行對結(jié)構(gòu)的整體剛強度分析可以知道，兩圖中應力的最大值為85 MPa，變形的最大值為5.4mm。 </p><p>　　4有限元分析技術的發(fā)展趨勢 </p><p>　　4.1更為強大的網(wǎng)格處理能

13、力 </p><p>　　運用有限元分析技術對問題進行解決，有一定的過程，此過程中的主要的內(nèi)容主要包括對離散化的分析對象、計算結(jié)果和有限元求解等。通常情況下，結(jié)構(gòu)離散的結(jié)果會受到網(wǎng)格質(zhì)量的影響，只有很少一部分的軟件設計能夠達到要求，還有很多的分析軟件仍然不能達到相應的要求。所以，網(wǎng)格處理能力能夠進行網(wǎng)格自動重劃分。 </p><p>　　4.2 程序面向用戶的開放性 </p>

14、<p>　　隨著我國科學技術的不斷提高，我國有很多的企業(yè)都在不斷的對自身的市場進行擴大，并以此來提升自身的企業(yè)經(jīng)濟利益，做到對客戶需求的進一步滿足，并在對軟件功能方面做了大量的投資。但是，因為現(xiàn)實中軟件的實際應用情況不同，不可能使每一個應用軟件者都能夠得到相應的滿足，所以，在軟件的實際使用過程中，要能夠保證對軟件進行不斷的擴充使用。 </p><p>　　4.3 由求解線性問題發(fā)展到求解非線性問題 &

15、lt;/p><p>　　我國社會主義建設腳步的不斷加快，使當前的線性理論已經(jīng)遠遠的不能滿足工程材料的有效性，已經(jīng)不能有效的避免工程中材料破壞、失效等各種問題的出現(xiàn)。想要使這些問題能夠有效的得到解決，就必須運用一定的非線性問題進行運算求解。非線性問題相對來說是比較復雜數(shù)學問題，學習起來相對的比較困難，所以就需要依靠一定的手段對非線性問題進行計算。 </p><p><b>　　5 結(jié)語

16、 </b></p><p>　　綜上所述, 本文分析了有限元分析在機械設計中的應用與價值, 并且對有限元軟件的開發(fā)和利用做了介紹, 隨著有限元在機械生產(chǎn)企業(yè)中的廣泛應用, 企業(yè)的設計效率有了顯著的提高, 對設計方案也進行了優(yōu)化, 尤其是縮短了產(chǎn)品開發(fā)時間, 節(jié)約了成本。雖然我國仍然有很多機械生產(chǎn)企業(yè)沿用傳統(tǒng)的設計方式, 但是值得欣慰的是已經(jīng)有很多的企業(yè)技術人員認識到C A E技術有著很大的發(fā)展?jié)摿?

17、可以極大地提高生產(chǎn)力, 所以, 有限元法的使用一定會越來越受到重視, 希望隨著我國有更多的機械生產(chǎn)企業(yè)運用有限元法進行機械設計, 會使得社會更加進步, 科技更加發(fā)展,從而幫助我國的經(jīng)濟更加迅速的增長。 </p><p><b>　　參考文獻 </b></p><p>　　[1] 朱志飛, 岑松.有限元法新論[M].北京: 中國水利水電出版社,2001 </p&g

18、t;<p>　　[2] 梁清香, 張根全.有限元法與MARC 實現(xiàn)[M]].北京: 機械工業(yè)出版社, 2003 </p><p>　　[3] 俞銘華, 吳劍國, 曹驥, 王林, 管義鋒.有限元法與面向?qū)ο缶幊蘙M].北京: 科學出版社,2004 </p><p>　　[4] 劉海娥,張思婉.基于ANSYS的漸開線嚙合齒輪有限元分析[J].機械制造與自動化,2010,(1) &

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