有限元分析在機(jī)械設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用價(jià)值

1、<p>　　有限元分析在機(jī)械設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用價(jià)值</p><p>　　摘要：伴隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和對(duì)產(chǎn)品性能要求的不斷提高，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)流程、制造工藝等變得越來(lái)越復(fù)雜，各個(gè)行業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，產(chǎn)品的研發(fā)工作在不斷的進(jìn)行，在這樣的市場(chǎng)環(huán)境下，就要求產(chǎn)品的研發(fā)部門能夠設(shè)計(jì)出更好的產(chǎn)品。有限元分析已經(jīng)成為現(xiàn)代科技中數(shù)字樣機(jī)的核心的技術(shù)，這樣就為企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)和設(shè)計(jì)提供了有效的幫助，最終使企業(yè)能夠在競(jìng)爭(zhēng)中處

2、于不敗之地。本文探討了有限元分析在機(jī)械設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：有限元分析技術(shù) 機(jī)械設(shè)計(jì)價(jià)值應(yīng)用 </p><p>　　中圖分類號(hào)：F407.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A </p><p>　　有限元分析技術(shù)簡(jiǎn)單的說(shuō)就是運(yùn)用一定的數(shù)學(xué)近似法，對(duì)真實(shí)的物理系統(tǒng)即幾何和荷載工程狀況進(jìn)行的模擬，利用單元這個(gè)簡(jiǎn)單而又相互作用的元素和有限數(shù)量的未知量對(duì)無(wú)限未知量的

3、真實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行逼近。 </p><p>　　1 有限元分析的價(jià)值 </p><p>　　在整個(gè)的設(shè)計(jì)流程中，有限元分析都被運(yùn)用到了設(shè)計(jì)流程的整個(gè)過(guò)程中。首先，要進(jìn)行設(shè)計(jì)概念的粗略評(píng)估，而這個(gè)評(píng)估時(shí)間是在概念階段進(jìn)行的，在之后的設(shè)計(jì)階段對(duì)數(shù)學(xué)樣機(jī)概念進(jìn)行引入。簡(jiǎn)單的說(shuō)，就是在進(jìn)行實(shí)物測(cè)試時(shí)，可以運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)將傳統(tǒng)的工作在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行完成，在之后的測(cè)試與生產(chǎn)過(guò)程中，你可以做好明顯的準(zhǔn)備。 &l

4、t;/p><p>　　有限元分析在企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力表現(xiàn)的體現(xiàn)主要起到以下幾個(gè)方面：第一，有限元分析在企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程中，幫助企業(yè)大大的縮短了產(chǎn)品的研制周期，在建模和分析過(guò)程中采用的計(jì)算機(jī)實(shí)體造型在確定了合理結(jié)構(gòu)參數(shù)所需時(shí)間的同時(shí)，大大的減小了時(shí)間的長(zhǎng)度，使模型和參數(shù)的修改都很方便。第二，降低了開(kāi)發(fā)費(fèi)用。利用有限元進(jìn)行分析能夠大量的節(jié)省費(fèi)用。第三，有限元分析還有利于運(yùn)用優(yōu)化的手段對(duì)開(kāi)發(fā)出更加優(yōu)越的產(chǎn)品。 </p>

5、;<p>　　2 有限元分析在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 </p><p>　　我國(guó)以往的機(jī)械設(shè)計(jì)都是一種經(jīng)驗(yàn)上的設(shè)計(jì), 就是僅僅利用現(xiàn)有的資料對(duì)新產(chǎn)品進(jìn)行開(kāi)發(fā), 再根據(jù)經(jīng)驗(yàn)做一些比較合理的改進(jìn), 這種傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式會(huì)浪費(fèi)很多的時(shí)間, 而且生產(chǎn)出的產(chǎn)品機(jī)械性能也很差, 不僅生產(chǎn)效率低, 耗費(fèi)成本也很多,分析原因就是傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法有限, 沒(méi)有廣闊的選擇性, 從而導(dǎo)致設(shè)計(jì)工作具有很大的盲目性, 并且, 即便是選擇

6、出了方案也沒(méi)有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量生產(chǎn)效果的好壞。所以, 近些年來(lái)我國(guó)引用了有限元法,并將其高效的應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)當(dāng)中, 采用這樣的優(yōu)化設(shè)計(jì)既減少了機(jī)械設(shè)計(jì)本身的耗費(fèi)的人力物力, 也對(duì)生產(chǎn)出的零件形狀做出了很好的優(yōu)化, 還減少了材料的消耗, 從而降低了成本, 提高了工作效率以及產(chǎn)品的使用性能。有限元法在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用是目前為止最有效的方法, 它減少了試件的制作, 縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間, 還極大的降低了制作成本, 因此, 機(jī)械制造行業(yè)都爭(zhēng)先使用有限

7、元法, 有限元軟件也越來(lái)越受到機(jī)械工程技術(shù)人員的青睞。 </p><p><b>　　3 應(yīng)用實(shí)例 </b></p><p>　　案例一：升降臂有限元分析 </p><p>　　升降臂的三維CAD模型由Inventor建立，共61個(gè)部件組成，如圖1所示，應(yīng)用ALGOR軟件為Inventor軟件提供的插件式接口，直接將CAD模型導(dǎo)入ALGOR中如

8、圖2所示。 </p><p>　　圖1 Inventor模型 </p><p>　　圖2 導(dǎo)入ALGOR的模型 </p><p>　　應(yīng)用ALGOR軟件提供的自動(dòng)六面體為主導(dǎo)的網(wǎng)格劃分功能對(duì)于升降臂劃分網(wǎng)格，模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)和模型的單位元數(shù)量分別為58 082個(gè)和80 812個(gè)。升降臂的網(wǎng)格模型則如圖3所示。 </p><p><b>

9、　　圖3 有限元網(wǎng)格 </b></p><p>　　升降臂為鋼結(jié)構(gòu)，其材料為力學(xué)參數(shù)，則相應(yīng)的數(shù)據(jù)為：密度為7 850 kg/m3，彈性模量為200 GPa，泊松比0.29。 </p><p>　　本文的分析主要是對(duì)升降臂整體剛度進(jìn)行的，所以對(duì)于非線性因素不予考慮，只采用簡(jiǎn)單的ALGOR軟件的線性靜力分析。 </p><p>　　實(shí)例二：旋轉(zhuǎn)輥道有限元分

10、析 </p><p>　　旋轉(zhuǎn)輥道是通過(guò)主驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)回轉(zhuǎn)支撐旋轉(zhuǎn)從而實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)輥的功能，并通過(guò)相應(yīng)焊接臺(tái)架的連接環(huán)和回轉(zhuǎn)支撐相連。本文主要對(duì)旋轉(zhuǎn)輥道中的14組旋轉(zhuǎn)輥?zhàn)舆M(jìn)行分析，模型具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、荷載較多和尺寸大的特點(diǎn)。在對(duì)整個(gè)的旋轉(zhuǎn)輥道進(jìn)行有限元分析之后，可以通過(guò)ALGOR進(jìn)行有限元計(jì)算，進(jìn)一步得出旋轉(zhuǎn)輥道的位移和應(yīng)力，再對(duì)旋轉(zhuǎn)輥道的剛度和強(qiáng)度進(jìn)行量化，就可以發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度和剛度的控制關(guān)鍵點(diǎn)。再通過(guò)一系列的設(shè)計(jì)比較，可以進(jìn)

11、一步判斷出設(shè)計(jì)是否能夠滿足應(yīng)用要求，從而為旋轉(zhuǎn)輥道的設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供重要的依據(jù)，最終所得出的分析模型為如圖4和圖5所示。 </p><p>　　圖4 旋轉(zhuǎn)輥道模型 </p><p>　　圖5 旋轉(zhuǎn)輥道模型及負(fù)荷分布 </p><p>　　通過(guò)ALGOR有限元計(jì)算，我們可以得出旋轉(zhuǎn)輥道的位移和應(yīng)力，可以得出旋轉(zhuǎn)輥道設(shè)計(jì)要求的滿足，并為下一步對(duì)旋轉(zhuǎn)輥道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供可

12、靠的理論依據(jù)。分析結(jié)果如圖4和圖5所示，中節(jié)點(diǎn)后，整個(gè)模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為296 868個(gè)和574 463個(gè)，進(jìn)而通過(guò)對(duì)兩者的結(jié)構(gòu)實(shí)際情況和邊界約束與載荷等進(jìn)行分析，運(yùn)用ALGOR的線性靜力功能分析進(jìn)行對(duì)結(jié)構(gòu)的整體剛強(qiáng)度分析可以知道，兩圖中應(yīng)力的最大值為85 MPa，變形的最大值為5.4mm。 </p><p>　　4有限元分析技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) </p><p>　　4.1更為強(qiáng)大的網(wǎng)格處理能

13、力 </p><p>　　運(yùn)用有限元分析技術(shù)對(duì)問(wèn)題進(jìn)行解決，有一定的過(guò)程，此過(guò)程中的主要的內(nèi)容主要包括對(duì)離散化的分析對(duì)象、計(jì)算結(jié)果和有限元求解等。通常情況下，結(jié)構(gòu)離散的結(jié)果會(huì)受到網(wǎng)格質(zhì)量的影響，只有很少一部分的軟件設(shè)計(jì)能夠達(dá)到要求，還有很多的分析軟件仍然不能達(dá)到相應(yīng)的要求。所以，網(wǎng)格處理能力能夠進(jìn)行網(wǎng)格自動(dòng)重劃分。 </p><p>　　4.2 程序面向用戶的開(kāi)放性 </p>

14、<p>　　隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷提高，我國(guó)有很多的企業(yè)都在不斷的對(duì)自身的市場(chǎng)進(jìn)行擴(kuò)大，并以此來(lái)提升自身的企業(yè)經(jīng)濟(jì)利益，做到對(duì)客戶需求的進(jìn)一步滿足，并在對(duì)軟件功能方面做了大量的投資。但是，因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)中軟件的實(shí)際應(yīng)用情況不同，不可能使每一個(gè)應(yīng)用軟件者都能夠得到相應(yīng)的滿足，所以，在軟件的實(shí)際使用過(guò)程中，要能夠保證對(duì)軟件進(jìn)行不斷的擴(kuò)充使用。 </p><p>　　4.3 由求解線性問(wèn)題發(fā)展到求解非線性問(wèn)題 &

15、lt;/p><p>　　我國(guó)社會(huì)主義建設(shè)腳步的不斷加快，使當(dāng)前的線性理論已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)的不能滿足工程材料的有效性，已經(jīng)不能有效的避免工程中材料破壞、失效等各種問(wèn)題的出現(xiàn)。想要使這些問(wèn)題能夠有效的得到解決，就必須運(yùn)用一定的非線性問(wèn)題進(jìn)行運(yùn)算求解。非線性問(wèn)題相對(duì)來(lái)說(shuō)是比較復(fù)雜數(shù)學(xué)問(wèn)題，學(xué)習(xí)起來(lái)相對(duì)的比較困難，所以就需要依靠一定的手段對(duì)非線性問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算。 </p><p><b>　　5 結(jié)語(yǔ)

16、 </b></p><p>　　綜上所述, 本文分析了有限元分析在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用與價(jià)值, 并且對(duì)有限元軟件的開(kāi)發(fā)和利用做了介紹, 隨著有限元在機(jī)械生產(chǎn)企業(yè)中的廣泛應(yīng)用, 企業(yè)的設(shè)計(jì)效率有了顯著的提高, 對(duì)設(shè)計(jì)方案也進(jìn)行了優(yōu)化, 尤其是縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間, 節(jié)約了成本。雖然我國(guó)仍然有很多機(jī)械生產(chǎn)企業(yè)沿用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式, 但是值得欣慰的是已經(jīng)有很多的企業(yè)技術(shù)人員認(rèn)識(shí)到C A E技術(shù)有著很大的發(fā)展?jié)摿?

17、可以極大地提高生產(chǎn)力, 所以, 有限元法的使用一定會(huì)越來(lái)越受到重視, 希望隨著我國(guó)有更多的機(jī)械生產(chǎn)企業(yè)運(yùn)用有限元法進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì), 會(huì)使得社會(huì)更加進(jìn)步, 科技更加發(fā)展,從而幫助我國(guó)的經(jīng)濟(jì)更加迅速的增長(zhǎng)。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　[1] 朱志飛, 岑松.有限元法新論[M].北京: 中國(guó)水利水電出版社,2001 </p&g

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