有限元法及CAE技術(shù)在現(xiàn)代機械工程中的應(yīng)用

趙 濤

(山東工業(yè)職業(yè)學(xué)院，山東 淄博 256414）

有限元法及CAE技術(shù)都是近幾年才發(fā)展起來的全新技術(shù)，高效充分的利用這兩種技術(shù)可以為現(xiàn)代機械工程帶來很大的收益。CAE技術(shù)是一種包括有限元算法，邊界元算法以及有線差分算法等技術(shù)在內(nèi)的計算機輔助工程，在機械產(chǎn)品的設(shè)計和開發(fā)等過程中具有很大的優(yōu)越性，因此企業(yè)相關(guān)管理人員應(yīng)該重視這種技術(shù)，并給與其充分的應(yīng)用，以進一步提高企業(yè)的市場競爭力。

1 CAE技術(shù)簡介

CAE(Computer Aided Engineering）是用計算機輔助求解復(fù)雜工程和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強度、剛度、屈曲穩(wěn)定性，動力響應(yīng)、熱傳導(dǎo)，彈性等力學(xué)指標(biāo)的計算分析以及進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計等問題的一種技術(shù)，在70年代就得到了應(yīng)用，如今已有40多年的應(yīng)用歷史，并已經(jīng)稱為機械，建筑，土木工程等領(lǐng)域總共必不可少的分析技術(shù)。隨著我國計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，CAE技術(shù)的應(yīng)用效果有了很大的改進，在系統(tǒng)功能的完善以及計算準(zhǔn)確度等方面都有了飛躍的進步。CAE技術(shù)的核心環(huán)節(jié)就是將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)離散化，將實際結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為一定數(shù)目的離散的規(guī)則單元，通過對各個離散的單元進行分析以達到對整體結(jié)構(gòu)進行分析的目的。

2 CAE技術(shù)及有限元算法在現(xiàn)代機械工程中的應(yīng)用優(yōu)勢

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，機械工程領(lǐng)域傳統(tǒng)的商品生產(chǎn)流程為：專家小組結(jié)合每個成員的技術(shù)經(jīng)驗，制定設(shè)計方案，并制作出制造樣機，然后進行樣機測試，并根據(jù)測試結(jié)果修改原有的設(shè)計方案，然后重復(fù)進行上述過程，指導(dǎo)制作出符合標(biāo)準(zhǔn)的樣機為止。這種模式效率很低，在浪費大量的人力物力資源的同時也難以生產(chǎn)出優(yōu)秀的機械產(chǎn)品，因此，為了提高機械工程領(lǐng)域的生產(chǎn)效率，機械領(lǐng)域必須轉(zhuǎn)變固有的生產(chǎn)模式。CAE技術(shù)的應(yīng)用可以有效的減少樣機的制造和實驗的環(huán)節(jié)，從而減少人資和物資的浪費并縮短機械產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高企業(yè)效率。除此之外，CAE技術(shù)還能夠發(fā)現(xiàn)機械產(chǎn)品的一些潛在的問題，使生產(chǎn)人員能夠及時對之進行有效的處理，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

有限元算法是CAE技術(shù)的重要組成部分，與CAE技術(shù)中的其他算法相比，應(yīng)用更為廣泛，并且在機械工程領(lǐng)域中有著更好的適應(yīng)性和更大的優(yōu)勢。舉個例子來說，在電磁和流體等場分析領(lǐng)域中，有限元算法能夠有效地進行耦合場分析，與其他算法相比具有簡潔和高效的特點，在現(xiàn)代機械工程領(lǐng)域中也是如此。有限元算法的基本原理是將一個連續(xù)的整體求解區(qū)域劃分為離散小單元，在每個單元中建立假設(shè)的及時函數(shù)，并用它來表示求解區(qū)域上的未知場函數(shù)。近似函數(shù)通常通過未知場函數(shù)和差值函數(shù)來建立。通過有限元算法，能夠?qū)⑦B續(xù)的無限自由度問題轉(zhuǎn)化為離散的有限自由度問題。

3 有限元算法在現(xiàn)代機械工程應(yīng)用領(lǐng)域中的應(yīng)用特點

總體上講，有限元算法就是一種求解常系數(shù)微分方程或偏系數(shù)微分方程的一種算法，因此只要是涉及微分方程的求解的工程問題都可以用有限元算法來解決，機械工程領(lǐng)域就是一個與微分方程聯(lián)系十分緊密的領(lǐng)域，可以并應(yīng)當(dāng)在其設(shè)計過程中充分利用有限元算法來解決工程上的一些問題。研究表明，有限元算法在機械工程領(lǐng)域的應(yīng)用有許多特點，具體可分為以下幾個方面：（1）機械工程中的各個單元能夠按多種方式組成在一起同時不同單元也有著不同的形狀，因此可以利用有限元算法模擬這些機械單元的復(fù)雜集合結(jié)構(gòu)，并得出問題的近似解。（2）機械工程領(lǐng)域往往離不開計算機程序設(shè)計，通過有限元算法，可以將問題的解決方案系統(tǒng)化，標(biāo)準(zhǔn)化，進而使問題能夠靈活的運用已知的計算機程序，降低問題的求解難度，提高效率。（3）邊界條件是機械工程中的一個很重要的參量，它一般是在建立機械體總體剛度方程之后引入的，也就是說，邊界條件和機械模型必須具有相對獨立性，有限元算法能使這一條件得到滿足。（4）傳統(tǒng)的機械工程設(shè)計中必須要建立一個適用整個結(jié)構(gòu)的插值函數(shù)，但若適用有限元算法，便不需要這一函數(shù)了，只是要在每個單元內(nèi)部建立各自的插值函數(shù)即可，這大大降低了處理難度，也擴大了解決方案的適用范圍。（5）機械工程領(lǐng)域中的問題往往設(shè)計一些非均勻連續(xù)介質(zhì)，在這一方便，有限元算法與其他算法相比有著更強的適應(yīng)性。（6）機械工程中往往涉及一些非線性問題的求解，有限元算法在這一方面也有著獨特的優(yōu)勢。（7）有限元算法具有很好的結(jié)合性，能夠與各種設(shè)計方法，可靠性分析結(jié)合起來，取長補短，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

4 結(jié)語

CAE技術(shù)一直處于不斷發(fā)展和探索之中，應(yīng)用有限元算法等CAE技術(shù)起到了提高企業(yè)的設(shè)計效率。優(yōu)化設(shè)計方案，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期等作用。越來越多的企業(yè)和技術(shù)人員意識到CAE技術(shù)是一種巨大的生產(chǎn)力，并在開發(fā)產(chǎn)品的過程中自覺的采用這項技術(shù)，而且取得了較好的效果，可以預(yù)見，在不久的將來，有限元算法的應(yīng)用將有更大的突破。

[1]方鵬.江進國.有限元法及CAE技術(shù)在鉆柱研究中的應(yīng)用[J].裝備制造技術(shù)，2006，05.

[2]劉桂芹,江進國,段成龍,曹明,黃亞星.有限元法及其在現(xiàn)代機械工程中的應(yīng)用[J].機械研究與應(yīng)用，2005，02.