機械設計中有限元分析的幾個關鍵問題

武龍 尚深泉

【摘 ?要】隨著我國計算機科技的迅猛發展，有限元分析開始被引入，與之相關的數據操作和數據處理技術也逐漸得到完善，而機械設計行業也正在廣泛的應用這一數據分析方法，有限元分析法逐漸成為機械設計領域中解決各種復雜問題的主要方法。而我國經濟水平的提高也增加了對機械設計行業的要求，這對有限元分析來說是一種機遇更是一種挑戰，這時就會發現在機械設計中有限元分析存在一些問題和缺漏，以下內容對有限元分析進行了介紹，指出了在機械設計中有限元分析存在的關鍵問題，并提出了解決問題的相關策略，從而促進有限元分析更準確的應用到機械設計領域中去。

【關鍵詞】機械設計;有限元;問題

在機械設計中應該根據現實情況來使用有限元，要綜合各種不同的工程狀況來進行數據分析。隨著各種機械設備的需求量增大，這時就體現到了機械設計的重要性，而在機械設計中，設計人員應該精確的對工程數據進行計算和分析，準確的預測出所設計機械的使用壽命、使用價值以及運用強度等性能，有限元分析在這一程序中就起到了重要的作用。而在機械設計中不能盲目的以有限元分析出的數據作為最終結果，目前仍有幾個問題存在有限元分析中，所以設計人員必須對分析結果進行多次檢驗，保證數據的正確性。

一、機械設計中有限元分析概述

有限元分析是我國引進的一種可以對數據進行分析和處理的有效方法，它的簡稱是FEA，有限元分析可運用的技術原理類似于數學方法，它通過來模擬各種幾何系統、荷載情況等，再利用有限數量的單元分析來接近我們未知的數據，并且得到未知量。在機械設計中就有有限元分析的引入，有限元分析的優勢是可以用簡單計算方法來取代比較復雜的問題進行運算，從而解決復雜問題中計算結果不準確這一漏缺，有限元計算比較精準，因此它是一種非常高效率的計算手段。在機械設計中，因為有限元分析方法比其它機械設計分析方法更為精密，并且有十分復雜的代數計算過程，因此有限元分析方法運用到機械設計中就會出現一些問題。

二、有限元分析在機械設計中的意義及運用過程

1.有限元分析在機械設計中的重要性

傳統的機械設計在進行工程設計時，主要是根據各種相關資料以及前人的設計經驗來進行設計分析，這種方法不僅消耗大量的時間，而且分析出來的數據也不夠準確很容易出現錯誤，造成所設計機械在制作過程中效率低，但是成本普遍偏高，而且機械的應用效果和后期的使用壽命都受到了一定的限制。而近些年來引進的有限元分析方法，可以有效的提高機械生產效率，解決傳統設計方法中缺乏設計思路以及數據計算錯誤等問題，它在機械設計中能夠精準的優化設計，節省了很多勞動力，節約成本。有限元分析的準確和便捷為設計人員提供了很大的幫助，成為當前我國機械設計領域中重要的技術手段。

2.有限元分析在機械設計中的運行過程

有限元分析在機械設計中主要的實施作用就是優化設計理念、進行理論指導、操作數據分析等，它是聯系機械設計和機械未來應用水平的關鍵樞紐。機械結構的離散化是有限元分析中的基礎第一步，通過把數據進行離散以及單元格劃分來實現機械模型的整體分析，其次再根據分析結果來對機械進行簡化，去除設計中對整體沒有很大影響的部分，然后再進行新產品的模型制作，并進行單元力學性質的分析，對機械設計進行更加精細的處理，然后根據各種條件將單元格進行重新組合，由幾何方程來進行相應的數據計算。

三、機械設計中應用有限元分析應該注意的幾個關鍵問題

1.容差設置問題

完整的有限元分析軟件一般可以分為三部分，其中包括前置處理、解算器和后置處理，這些操作步驟還可以對有限元分析出的結果產生影響。在有限元分析中如果有不同的容差設置，那么進一步將單元進行整合得到的模型和數據就會出現差異，而現如今已經出現很多事例可以證明幾何模型的精準度對有限元分析結果也會產生影響。而想要得到一個好準確度的計算分析結果，就應該處理好容差設置問題，相關的設計技術人員應該在設置容差時做到科學合理，將每一道操作步驟都進行準確的檢驗，從而得到一個準確的分析結果，將有限元分析熟練的應用到工程設計中去。

2.所設置的求解收斂精度

有限元分析所得到的計算結果也會受到解算器的影響，因為在解算器中可以設置的不同的求解收斂精度，因此對有限元分析所得到數據就會造成影響，解算器中求解收斂精度的設置在有限元分析中是一項非常關鍵的步驟，所以機械設計人員一定要對不同類型的機械器材，加以不同的求解收斂精度設置，保證應用限元分析對機械設計進行計算可以得到一個高準確度的數據結果。

3.量綱的選擇

在有限元分析應用到機械設計中，主要包括所測量的質量、長度、所需的能量、所用的時間、以及力和應力等這幾個常見的量綱，而進行有限元分析中，所輸入量綱必須要和前后設置中的相互一致，從而保證有限元分析的計算結果。雖然從整體來看，量綱選擇只要協調一致，就可以對其自由選擇，但是在大多數的實際操作上，有限元分析數據結果都會受到所選擇量綱的影響，而量綱的選擇在操作中產生的影響比較細微，但是在計算結果中卻不可忽視。如果選擇了不夠合理的量綱，就會讓數據處理過程中的一些信息和數據造成不同程度的偏差，從而讓計算結果產生誤差，所以在利用有限元分析進行機械設計時，一定要對量綱的選擇進行合理嚴密的選擇，保證分析數據的準確性。

4.單元的選擇

單元的選擇也是機械設計應用有限元分析的一和主要問題，在應用有限元分析時，所涉及的每個單元庫中，都有相對應的單元計算結果，而在對單元進行選擇之前，相關的機械設計工作人員應該充分了解每個單元庫中不同單元各自的相對應自由度、單元屬性以及所荷載的類型等各種單元特性。對單元進行詳細的了解之后，技術人員應該根據所設計機械的不同實際情況來對單元進行準確合適的選擇。等邊三角形、正方形立方體等幾何圖形也是網格選取幾何中比較常見的圖形，但是幾何圖形具有多樣性而且種類比較復雜，所以不是每一個機械器材都是要使用這些理想中的網格來進行單元離散，應該讓使用的單元更加實現理想單元的形態，從而讓計算分析結果更加精確，達到合理選擇單元的目的。

5.網格密度的確定

在進行有限元分析的過程中，所確定的網格密度的高低情況也會影響到所計算數據的準確程度，而且網格密度對有限元分析結果的影響非常大。所以在機械設計中的有限元分析時，一定要綜合各種方面比如計算的精度和分析成本來考慮網格密度，在不同的密度中選擇準確的網格密度，根據不同的部位來設置不同的網格密度。

結束語

有限元分析在機械設計中雖然是一種非常行之有效的計算方法，但是它的發展歷程還不夠悠久，在一些細節上也不夠成熟，因此有限元分析在一些方面也存在一定的不足。有的機械設計運用有限元分析計算出來的數據結果可能會與真實數據產生嚴重偏差，這樣的分析結果就不能使用，而影響有限元分析結果的因素有的可以解決，有的卻不能避免。所以在使用有限元分析方法時，技術人員不能單一的進行結果計算，還應該對結果進行多次檢驗，通過模型模擬以及問題分析來驗證所分析結果的正確性，減少機械設計中因為數據計算發生的失誤。

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作者簡介：

武龍（1991年生），男，江蘇省徐州市人，工作：保定長城汽車股份有限公司-動力研究院-發動機試制工程師，研究方向為機戒設計及自動化

尚深泉，（1985年生）男 ?河北省保定市人，工作：保定長城汽車股份有限公司-動力研究院-發動機試制工程師，研究方向為零部件（缸蓋，缸體，各種零部件，）的研發試制工作

（作者單位：1上海應用技術學院;2邯鄲職業技術學院）