机械设计中复杂结构有限元分析中问题的处理分析

黄鼎图　梁宇荣

摘要：随着计算机技术不断发展，计算机运算能力越来越大，有限元分析在机械设计作用越来越大。通过有限元软件，可以准确的模拟出刚度的性能和强度，从而更好的指导设计人员对零件进行优化设计，从而达到最小成本设计，从而满足产品设计需求。

1.复杂结构的子结构分析技术

（1）复杂结构的剖分与子结构分析

对于任意一种大型复杂的结构，我们都可以将其划分为若干个部分，这些部分称为子结构。这些细分的结构靠着边界节点和整体结构相互连接。在该过程中，如果将这些节点组成一个集合，那么这个集合便是一个复杂的大型机械结构。在使用过程中，只要将每个节点刚度效应计算出来，并且将其实施在边界节点上，这样就可以解决了大型复杂结构分析问题。从而更加准确的求解出规模小的边界问题。当然在该过程，还应该充分明确子结构和边界结构之间的联系，如果还可以将其分为二级、三级或者更多的子结构，那么可以更加详细去分析。但是这个过程需要充分考虑到多重子结构问题。如果使用K表示的是子结构的刚度矩阵，使用u表示子结构的总位移矩阵，P表示的是总荷载矩阵。那么就可以将每个节点中的刚度矩阵表现出来，它的表示为Ki。一旦边界节点的位移己知，结构的内节点的位移便由公式。需要充分明确，子结构仅仅是和边界相等的边界荷载矩阵，它对于整体的结构的奉献是一致的，因此可以称其为超单元，那么就可以明确出了边界节点，就可以得出最终的公式.从子结构中分析得出，该公式主要使用于计算出节点自由度，从而得出等效矩阵。从研究中发现，当各个结构的边界节点越来越少时，那么可以知道矩阵的规模也会比较小。因此，可以看出，想要准确的划分出一个复杂的结构，就可以将其细分成很多歌子结构，这是一个最常使用的方法。该过程中，应该尽量控制子结构内部节点规模，保障边界节点数比较少。

（2）子结构的变换与组装

在一般整体结构分析中，使用了四种坐标系。其中，节点坐标系确定了节点自由度的方向：元素坐标系规定了元素刚度（载荷）矩阵与子结构之间的变换矩阵：子结构坐标系将确定子结构等效边界刚度（载荷）矩阵向整体结构的组装的变换矩阵：整体坐标系通常取世界系。

2.建模分析

（1）应用梁单元分析

应用梁单元可以模拟结构，在同一方向上，长度明显大于其他方向的尺度，而且沿着应力方向，这是时候的应力是最关键的。梁理论基本都是假设变量关系，在由结构变形来判断。这些变量都是沿着结构长度进行的，而且会有对应的函数。为了使得梁理论产品可以被接受，横截面积尺度应该小于结构典型轴向尺度的十分之一。梁单元假设在垂直方向上，它的梁轴线还同平面保持平衡，那么就需要保障整个网格的精细度，网格应该将梁单元包含在内。梁单元的曲率都是根据梁n2进行确定选择的。如果当n2的方向和梁轴正交时，那么可以将其认定为初始弯曲。但是曲率计算方式比较多，想要计算出直梁组成结构的曲率，需要模拟出直梁的平均化线法，这样才可以引入曲率。使用应用梁作为壳体模型时，需要使得梁单元的节点都处于横截上。当结构构件常常出现承受扭矩问题时，几乎所有的三维框架结构都会出现该情况，当一个构件出现弯曲时，另一个构件会出现扭转。在该环节中需要充分考虑到成型性能和强度。选择材料显得至关重要，将其定位为一般工程的钢材，它自身具备的强度、承载冲击力性能都比较好。

（2）有限元件分析

第一，需要确定出单元类型。因为有限元分析一般都是分析空间问题比较普遍，那么就应该充分考虑到计算时间和计算精度问题，选择的单元模型是BRICKSOLID45。

第二，建立模型。因为使用的材料是复杂钢材，在实际使用过程中，应该保证在不变形的情况下使用，而且最好选择弹性材料，做好参数设置。

第三，建立模型。在Pro/E中，机械是由几个装配研制而成。需要导入的ANSYS，一般也是单独的个体，但是进行有效元件分时，需要将这些零件组合成一个整体，这样才更好的进行约束。建立起真实的模拟图形，可以根据以下菜单执行。MODELING一0PERATE--BOOLEAN--GLUE—VOLUME，选择所有零件之后，就可以点击确定，完成了该步骤之后，零件装配就可以变成一个整体。

第四，网格设置。使用第一步骤中的单元类型和材料性能，选择出专门的实体，这样就可以准确的对机械进行网格划分。在划分中还应该明确，边界条件和载荷。因为当机械主要受力是在背面，当受到荷载力横向弯曲力时，根据板壳理论，近似认为后板是四边铰支的薄板结构。当考虑到工作中会受到集中荷载力影响时，就需要进行模拟分析，这样就可以将荷载力放置在随机区域内，在进行模拟分析的时候，就应该将把载荷加载在会导致机械变形最大的位置， 这样才能保证设计的零件能满足要求。

（3）3D模型分析

需要明确的是，Pro/E在建立复杂3D模型方面功能很强，因此可以在Pro/E中建立起完整的3D模型。机械由几个零件装配而成，借助ANSYS软件可以设置新的文档接口类型，这样就可以在菜单中进行自由选择，选择ANSYS--GEOM选项时，就可以将装配的原图放置其中，那么该模型就会自行的转化成了ANSYS格式。ANSYS会自动将程序进行启动，在使用下拉菜单就可以显示出实体模型效果。有限元件分析就可以执行。

3.结束语

随着社会不断发展，计算机技术得以广泛使用，计算机技术提升工作效率。文章分析了有限元在机械设计中发挥出的作用，这个作用越来越明显，越来越强大。基于有限元件基础上，使得机械设计问题更加简单化。

参考文献

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