機械設計中有限元分析的幾個關鍵問題

潘朗

摘 要：有限元分析是利用數學近似的方法模擬真實物理習題，可以對高難度問題得到高精度的計算結果，在機械設計領域得到了廣泛應用。本文對有限元分析方法在機械設計中的應用進行分析，針對有限元分析應用的關鍵影響因素提出相應的解決對策，著重介紹如何做好容差設置、量綱選擇、單元選擇和網格密度設置等關鍵工作，以更好的發揮有限元分析的優勢和作用。

關鍵詞：機械設計 有限元分析 影響因素 對策

Some Key Problems of Finite Element Analysis in Mechanical Design

Pan Lang

Abstract：Finite element analysis is a mathematical approximation solution in simulate real physical cases， which can obtain high precision calculation results for high difficulty problems and has been widely used in mechanical design field. This paper analyzes the application of finite element analysis method in mechanical design， and puts forward corresponding solutions to the key influencing factors of finite element analysis application. It mainly introduces how to do well in key works such as tolerance setting， dimension selection， element selection and grid density setting， so as to give full play to the advantages and functions of finite element analysis.

Key words：mechanical design， finite element analysis， influencing factors，? countermeasures

隨著計算機技術的不斷發展，有限元分析技術在機械設計領域得到了越來越普遍的應用，借助有限元分析軟件可以根據機械零件幾何特征建立有限元模型，分析單元的力學性質，結合力的平衡條件等因素形成整體剛度矩陣，計算應變和應力，從而對零件設計進行優化，提高零件剛度和強度等性能指標，降低零件生產制造成本，滿足工業設計與生產需求。有限元分析的應用范圍十分廣泛，可以用于金屬材料、復合材料等不同材料的零件設計，成為機械工程領域基本的分析方法之一。

1 有限元分析在機械設計中的應用原理和流程

有限元分析是一種數據分析處理的方法，使用數學近似的方法模擬真實的物理習題，可以用簡單的近似問題代替復雜的問題進行求解，以有限去逼近無限。這種分析方法中互連子閾被視為組成解閾的因素，使用假定的簡單的近似解匹配給各個單元，對這個閾總的滿足條件求解推導，得出問題的解。在這一過程中，得到的并非問題的準確值，而是近似值，但通過有限元分析使用簡單問題替代實際問題求解，可以對復雜問題得到精度較高的計算結果，具有很強的實用性和適用性。

傳統的機械設計基于以往的經驗進行設計，需要結合現有的資料研發新的產品，根據既有經驗對產品設計進行優化改進。這種方式需要耗費設計人員大量的時間和精力，且受限于設計人員自身的經驗水平和現有資料，設計優化的提升十分有限，不僅設計與生產效率低，而且效果往往并不理想。主要原因在于傳統設計方法沒有選擇的余地，設計工作中存在盲目性的問題，缺乏準確、可靠的數據支持，難以對設計與生產效果進行科學的評估。有限元分析法的引入，可以大大降低設計人員的工作負擔，減少了人力、物力和材料等方面的消耗，縮短了設計時間，更重要的是大幅提升了機械設計的上限，使機械設計與產品制造效果得到保障。

有限元分析在機械設計領域有著廣泛的應用。在計算機技術和數據處理技術高速發展的背景下，有限元分析在解決復雜問題上發揮了重要作用。例如可以借助有限元分析法進行外部荷載對機體結構應力應變的分析，可以解決損傷容限分析和實驗中的荷載驗證等問題。在具體應用過程中，需要先簡化模型，對單元格進行劃分，再對幾何、邊界條件、載荷狀況等進行定義。其中，機械模型簡化是將研發的新產品模型中不重要的部分去除，比如機械結構中倒角等不影響機械生產的部分，去除這些部分不會影響機械生產質量，可以降低有限元分析的工作量;單元格劃分是對機械模型進行劃分處理，根據模型構建有限數據，便于設計人員從分散數據中總結模擬分析的規律;定義機械的幾何特點包括零件應力、厚度等幾何特征，從而可以根據產品幾何特征制作相應的模型，需要注意材料特性的定義問題，機械模型應構建材料參數，同時還需要定義接觸條件、載荷狀況等內容，確定機械模型的受力與材料等因素。設計人員需要重視接觸條件和單元格的分析，這兩個因素會對有限元分析結果造成直接影響。還需要注意的是，對完成的機械模型，需要對其類型進行定義，有限元分析法中不同結構類型有不同的單元類型。

然而有限元分析法也有不成熟的方面，例如在強度校核方面尚處于探索階段。在應用有限元分析法進行機械設計的過程中，設計人員需要對分析結果辨證看待，不盲目相信也不能盲目否定，要有嚴密的思維和科學的判斷，對有限元分析的計算原理有清晰而充分的認識，對實際結果與分析結果的差異有科學的分析，驗證有限元分析結果的可行性，尤其要重視常規強度的計算問題。