專利領(lǐng)域有限元行業(yè)應用現(xiàn)狀研究

李詠梅

摘 要 本文闡述了有限元方法技術(shù)背景與發(fā)展歷程，對有限元行業(yè)應用情況進行了舉例分析，針對有限元行業(yè)應用在專利申請領(lǐng)域進行統(tǒng)計分析，對有限元方法應用的前景進行展望。

關(guān)鍵詞 FEM;有限元;現(xiàn)狀;原理;應用;專利領(lǐng)域;統(tǒng)計分析

前言

有限元法（Finite Element Method， FEM），是20世紀50年代末60年代初興起的應用數(shù)學、現(xiàn)代力學及計算機科學相互滲透、綜合利用的邊緣科學。20世紀40年代，有限單元概念第一次被提出，在接下來的十幾年里，Argyris 等人在結(jié)構(gòu)矩陣分析方面取得了很大進展。1956 年， Turner， Clough 等人基于架位移法，在彈性力學平面問題上第一次成功嘗試用有限元法來分析飛機結(jié)構(gòu)，并得平面應力的精確解。 1960 年“有限元法”這個名稱被首次提出。在隨后的幾十年里，隨著現(xiàn)代力學、計算數(shù)學以及計算機技術(shù)的軟件和硬件能力飛速發(fā)展，有限元法在機械、工程、材料和醫(yī)學等領(lǐng)域得到了廣泛應用[1]。

1FEM原理與工程實現(xiàn)

在有限元方法中將計算域離散剖分為有限個互不重疊且相互連接的單元，在每個單元內(nèi)選擇基函數(shù)，用單元基函數(shù)的線形組合來逼近單元中的真解，整個計算域上總體的基函數(shù)可以看作是由每個單元基函數(shù)組成的，則整個計算域內(nèi)的解可以看作是由所有單元上的近似解構(gòu)成。主要工程實現(xiàn)布置包括：

（1）劃分單元網(wǎng)格;

（2）選定相應坐標系，按要求輸入有關(guān)信息;

（3）使用程序進行計算;

（4）對計算成果進行整理分析，顯示位移及應力。

2FEM行業(yè)應用

2.1 在生物醫(yī)學中的應用

在對復雜人體力學結(jié)構(gòu)進行力學分析時，力學實驗幾乎無法直接進行，而有限元數(shù)值模擬力學實驗的方法則是一種有效手段。利用有限元力學分析，具有時間短、費用少、可處理復雜條件、力學性能測試全面及其重復性好等優(yōu)點。另外，還可進行優(yōu)化設計，指導對醫(yī)療器械的設計及改進，以獲得更好的臨床療效。

2.2 在土木工程中的應用

ABAQUS是一套基于有限元方法的工程模擬軟件，廣泛用于建筑結(jié)構(gòu)、橋梁工程、建筑結(jié)構(gòu)等土木行業(yè)設計領(lǐng)域。也是目前建筑數(shù)字化設計的一個發(fā)展方向，發(fā)揮越來越突出的作用。

3專利領(lǐng)域中有限元在行業(yè)應用情況

3.1 在專利技術(shù)領(lǐng)域的具體應用分類

通過統(tǒng)計利用有限元相關(guān)技術(shù)的專利申請，目前涉及的有限元應用具體分為：G06F-電數(shù)字數(shù)據(jù)處理;G01N-借助于測定材料的化學或物理性質(zhì)來測試或分析材料;G06T-一般的圖像數(shù)據(jù)處理或產(chǎn)生;G01M-機器或結(jié)構(gòu)部件的靜或動平衡的測試;A61B診斷;外科;鑒定;G05B 一般的控制或調(diào)節(jié)系統(tǒng);G01L測量力、應力、轉(zhuǎn)矩、功、機械功率、機械效率或流體壓力;B21D金屬板或管、棒或型材的基本無切削加工或處理;沖壓金屬;B29C塑料的成型或連接，具體如圖1所示，其中，有限元主要分布在分類號小類G06F中。選取截至目前公開日最近的1000篇專利，涉及G06F的專利有710篇，對其具體應用進行分析：有限元被廣泛應用于有限元仿真、有限元軟件、疲勞壽命評估、BP神經(jīng)網(wǎng)絡、動力學方程以及三維模型等領(lǐng)域。

3.2 全球有限元相關(guān)專利申請情況

通過統(tǒng)計全球FEM相關(guān)應用專利的申請情況，主要申請的專利集中在中國、日本。其中，中國申請的相關(guān)專利數(shù)量位居第一。針對國內(nèi)FEM相關(guān)專利的統(tǒng)計，可以看出主要的申請專利集中在大專院校和企業(yè)，其中大專院校的專利申請位列第一。

4結(jié)束語

通過本文介紹可知，有限元法作為一種成熟的分析方法，已廣泛應用于解決機械工程、復合材料 人體骨鏘分析和其他各類問題中并取得了令人矚目的成果。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，計算能力的提高，有限元技術(shù)將會與虛擬現(xiàn)實技術(shù)等更多的先進技術(shù)結(jié)合，在更為廣闊的領(lǐng)域得到應用和發(fā)展。

同時，也要認識到，雖然目前有限元法在國內(nèi)已經(jīng)得到了普遍應用，取得了大量的成就，同時專利申請量也位居全球第一。但是有很多專利是集中在大專院校，需要進一步轉(zhuǎn)化到社會生產(chǎn)中。另外，與國外有限元的應用情況相比，國內(nèi)的有限元工作依然有一定差距，特別是在生物力學中，因此在有限元的研究中，為解決實際的臨床問題仍然需要不懈地努力。

參考文獻

[1] 牛曉敏，夏亞濤.有限元方法應用研究現(xiàn)狀[J].科技致富向?qū)В?013（23）：253-253.