基于有限元分析工程机械结构问题的思考

基于有限元分析工程机械结构问题的思考

彭义军

维沃移动通信有限公司 广东东莞 523000

摘要：随着我国计算机技术的不断发展及计算机算力的大幅提升，使有限元分析在工程机械结构设计中得到了大规模的应用，特别是在新产品的研发中作用越来越明显，包括且不限于设计、科学领域等。有限元能够将原本复杂的设计、分析问题转变为简单的内容，从而使得工作人员及时展开分析处理。本文将以工程机械结构为研究对象，探讨如何利用有限元实现对工程机械结构问题的问题，目的在于更好地发挥有限元的作用，促进我国各行业对有限元的应用水平。

关键词：有限元；分析；工程机械；机械结构；思考

引言：

在近些年来，我国机械制造业获得了快速的发展，而这一切都离不开我国科学技术的大力支持[1]。为了能够更好地适应于我国的发展需要，我国科研组织加大了对机械制造业核心工业软件的研发力度，而由此有限元技术得到了大规模的应用。有限元分析中可靠性评估技术、拓扑优化、形状优化、尺寸优化、多参数优化设计等能够有效实现对机械制造业的支持。在竞争环境越来越激烈的背景下，机械制造企业应当通过多种途径降低生产成本，保持生产质量，而这就需要企业利用有限元分析实现新型的设计方法。有限元分析能够为工程机械结构设计带来新的思考。从现实来看，有限元分析已经被投入到了使用中，并且取得了一定成效。为了能够探究如何利用有限元实现对工程机械结构的设计，本文将展开进一步探讨。

一、有限元的相关概念

（一）有限元的优势

有限元分析的诞生条件是我国计算机技术的发展，对其进行有效利用能够带来较大裨益。根据有限元分析在我国的应用状况，其优势可以被概括为以下几点：首先，有限元能够对几何体进行模拟，无论是多么复杂的几何体都能够被有限元捕捉，进而将之以数据化的形式展现出来，这一优势能够使得机械制造企业能够更好地对非均质工程结构加以分析、处理，判断设计的可行性；其次，有限元能够让解题步骤遵循标准的流程，使得解题步骤越来越系统化，能够协助工作人员利用图形来提高计算的精确程度，并减少计算时间[2]；最后，有限元还能够实现对材料结构与荷载关系之间的计算，从而使得设计方案贴合机械制造企业的需求，减少设计成本的同时保障其设计方案的合理性。总而言之，有限元的利用能够让数学复杂的处理步骤变为简单的处理步骤，大幅度提高产品开发效率，节省了产品开发的时间，提升产品的竞争力。

（二）有限元的不足

有限元作为一种能够适应当下机械制造业需求的软件，能够促进工程机械设计的质量、效率，但是在应用有限元法的同时，也应当重点关注其缺陷。有限元的缺陷主要体现在时间的计算、资源以及无限求解域等方面。同时，有限元软件所采用的网络自适应技术还未能够得到充分的研究，具有一定的完善空间，这也对有限元的应用带来了一定的不利影响。网络自适应技术对使用者所带来的影响主要表现为，使用者必须结合自身过往的工作经验实现对网、密度的选取，从而增加了工作的复杂程度[3]。若是使用者经验不足，那么就可能会致使选取出现差误。

（二）有限元的必要性

现如今，我国机械制造企业为了能够更好地保障生产的高效展开，在许多产品的前期设计阶段完成后，工作人员都会采用有限元分析来展开进一步工作，从而为工程机械结构的可靠性提供保障。因此，若是单纯从产品设计到实现的角度来看，有限元分析十分必要。具体而言，有限元分析的必要性体现在以下三个方面：首先，其能够确保结构改变的要素更多。当前，我国的有限元分析能够借助于计算机系统实现对工程机械结构尺寸、形状等要素的改变，例如探析结构的荷载力等，而随着技术的进步，所涉及的范围在未来也会越来越广阔，因而采用有限元分析十分必要；其次，其能够让结构的变化变得较为简单；工程机械结构的设计较为复杂，但有限元分析能够对参数进行设置，实现对设计目标、变量的分析，从而将原本复杂的设计过程转化为简单的内容，实现牵一发而动全身，进而达成全面的优化；最后，准确性能够得到提升。通过科学技术不断发展的优势来促进工程机械结构的优化，有限元分析能够得到进一步保障，进而实现对更多工程机械结构设计问题的解决。从上述内容可以看出，有限元分析在工程机械结构中的应用十分必要，能够减少机械制造企业的成本，同时确保设计工作高效展开，所以应当加强对其的研究力度。

二、有限元在工程机械结构问题上的计算步骤分析

为了能够进一步明确有限元的相关内容，有必要对有限元在工程机械结构问题上的计算展开分析，并且将之归纳为下列几个步骤。

（一）规划单元数量

在计算的第一步，工作人员应当将需要分析的对象离散成有限数量的单元，并且根据工程机械结构的设计、计算的精度等作为参考指标，实现对单元数量的规划。由于单元的规划是否仔细会直接影响到对模型变形描述情况的精细程度，所以应当尽可能仔细规划单元，但是要注意，若是精细程度越高，那么计算量也就会随之而出现增长，为了避免耗费大量的时间做无用功，应当将精细程度确定在合理区间之内。

（二）形成矩阵整体刚度

单元数量离散完毕之后，工作人员就应当结合工程机械结构的设计需要对位移模式加以确定，并且以单元的力学性质为前提展开深入研究，导出单元刚矩阵。随后，工作人员就应当采用合理的方式实现对等效节点力的计算，并且以此来取代单元承受力。为了确保工程机械结构的平衡性，还应当依据于结构平衡的条件，合理规划边界，促使单位重新联结，进而形成矩阵整体刚度。

（三）通过有限元方程公式完成计算

当完成上述步骤之后，就进入到最后一个步骤，即通过有限元方程公式完成计算。工作人员应当在众多节点中寻找未知的阶段，并且统计节点位移的所有未知量，然后再以此为依据利用有限元方程公式展开计算。

三、有限元在工程机械结构上的应用

在工程机械结构问题中，较为关注的问题之一就是结构的荷载力。工程机械结构的荷载力通常不会受到时间的影响，或者说受到时间影响的可能性较小，这时候就可以利用有限元实现对其荷载力的研究。从上文中可得知，有限元分析能够帮助工作人员实现对结构变形情况、变形程度的明确，所以有限元在静力学方面的应用最为普遍。除去静力学之外，有限元在动力学研究领域、热应力研究领域方面也具有一定建树。例如，在动力学领域，由于工作状态下的机械零部件会产生静荷载、共振等问题，从而使得机械受到不利影响，严重情况下还会导致机械损坏，所以利用有限元能够考虑到工程机械结构的刚度需求，从而确保该机械的动态刚度能够符合实际应用的标准。在热应力研究领域方面，利用有限元能够实现对工程机械结构内部温度分布情况的探析，进而帮助工作人员更好地研究工作、安装温度的差异，采取合理的措施改善其温度不一致的问题。

结束语：

在我国机械制造业快速发展的背景之下，有必要对相关技术进行研究。有限元法作为一种在工程机械结构设计上应用较为普遍的CAE技术，具有一定的研究价值。本文通过对有限元的优势、不足以及必要性进行分析，阐明了有限元法对于机械制造企业的重要性。随后又论述了有限元法的计算步骤。最后又对有限元法在工程机械制造中的应用展开了论述。经过分析后认为，有限元法能够减少企业的开发周期，确保工程机械结构的合理性。

参考文献：

[1]刘邦彦,张凤生,程堂灿.取药机器人机械结构设计及有限元分析[J].现代机械,2022(03):14-18.

[2]邓钢,祁光威,滕赟,胡祥涛.基于随机有限元的机械结构可靠性分析规范性方法[J].中国标准化,2022(03):206-211.

[3]振生.计算机辅助机械结构进行有限元分析方法——评《机械结构有限元法与计算机辅助分析》[J].铸造,2021,70(11):1381.