有限元分析技术在冶金机械设计中的应用

王秋鹏

(西安铁路职业技术学院，陕西 西安 710014)



有限元分析技术在冶金机械设计中的应用

王秋鹏

(西安铁路职业技术学院，陕西 西安 710014)

在计算机网络技术的发展下，有限元分析技术被广泛的应用到冶金机械设计当中，对冶金机械设计起到了关键性的作用。介绍了有限元分析技术的特点，充分了解有限元分析技术的发展趋势和价值所在，进而分析有限元分析技术在冶金机械设计中的应用。

有限元分析技术；冶金；机械设计

在冶炼工业发展中，冶金机械设计是非常重要的一个环节，通过科学的设计冶炼工序，将有色重金属进行提炼，提升机械设计的水平，将提升冶炼技术的效果。在传统的冶金机械设计中，很多零件的数据极容易出现误差，影响设计结果，这些误差利用传统的设计办法很难避免，由于传统的设计方面很难做到精细、准确。在冶金机械设计中应用有限元分析技术，就能够很好的避免这些问题，将每个零件在最大限度内确保数据的精准，使机械设计更加合理，提升机械使用的效率和机械设备的使用年限，同时，降低冶金技术对周围环境产生的污染。

1 有限元分析技术的基本介绍

1.1有限元分析技术的概念

我们可以这样看，有限元分析是运用某种数学近似法，对真实的物理系统进行模拟。利用简单模型、相互关联的元素和固定数量的未知数对无限未知的系统进行还原。有限元分析的方法可以将每个复杂的问题变成简单的问题，对这些简单的小问题进行推测、解答，推测出求解这个未知数的条件，为机械设计提供更加精准的数据，从而提升机械设计的效率。

1.2有限元分析技术的特征

有限元是将具有连续性分散的单元进行重新组合，有限元分析技术主要是为了求解最小的子域。在传统的求解方式中，对整体的定义域进行求解，这就要求满足整体定义域内的所有条件，这就增加了求解的难度，极容易出现各种错误。无论是对子域求解，还是对整体定义域求解都无法提供准确的计算，但是有限元分析方法对子域的求解能够无限的接近真实的数据，对小单元进行求解，进而推测出满足整体定义域的条件，将整个计算更加准确，进而提高机械设计的效果。在冶金机械设计过程中，有限元分析的方法是利用函数在简单的子域内进行求解，这求解过程不需要考虑整体定义域的条件，这种求解方法更加简单、方便，更加精准[1-2]。

2 有限元分析技术的发展趋势

2.1能够使软件进行无缝衔接

目前，有限元分析软件和CAD制图软件相互结合使用，产生了非常好的效果。利用CAD制图软件完成机械设备中零部件的改造工作，将改造后的数据输送到原来的软件模型，将设计好的软件模型数据放到特定的软件中，对其进行详细的计算和分析，查看分析结果。如果最后的结果符合相应的标准，停止进行操作，上交相应的数据；如果分析的结果与预计结果相差很远，需要对其进行重新调整，直到符合要求。通过对有限元分析软件的不断完善，能够很好的解决机械设计中的软件应用。举例说明一下，CAD制图软件能够与有限元分析技术进行融合，达到无缝连接，对数据进行准确传递。

2.2设置全新的网格处理技术

在有限元分析技术处理问题的过程中，很容易出现问题。处理的内容主要有离散化的分析对象、有限元的简单求解和分析结果。一般情况下，离散化的分析数据与网格质量息息相关。在分析数据中，大多数的软件设计无法满足要求，只有很少的一部分满足。因此，提升网格处理能力，最好的方式就是对网格进行重新自动化分割，然后重新组合。

2.3将程序进行大范围的开放

科学技术的提升，很多企业都在进行市场扩张，紧跟市场的趋势，满足用户提出的要求，增加对软件功能的研究，进而增加企业的经济效益。当研发的新软件应用到实际操作中，很难满足所有用户的需求，这也就是说，需要对软件进行进一步的扩充。

2.4将求解问题的难度加大

社会进步的脚步加快，当下的线性理论求解很难满足工业生产的需求，应用线性理论后，出现很多材料的浪费、资源的破坏，很多问题无法解决。利用线性理论进行解决的问题相对较简单，为了解决某些复杂的问题，需要依靠非线性理论。由于非线性理论相对比较难，应用起来相对有些难度，求解的过程也相对比较复杂，因此，需要利用某些特殊的方式求解非线性问题。

3 有限元分析技术的价值体现

当前，有限元分析技术已经应用到设计流程中，也就是说，有限元分析技术应用到设计流程中每个部件、系统的设计。在某些阶段，对于设计概念没有详细的介绍，只是简单的评价。在机械设计的过程中，利用数字样机技术进行分析，也就是将原来的分析过程添加到计算机中，在计算机上对验证进行测试，测试出相应的结果，观察其结果是否符合相关要求，然后进行下一项测试，如果测试合格后，马上投入生产。有限元分析技术将提高机械设计的效率，同时，能够给企业带来丰厚的利润。

当前，市场竞争非常激烈，需要展现出核心的竞争优势。核心竞争优势有产品本身的质量、生产的成本和市场营销的时间。有限元技术应用在这几个方面的优势：

1) 能够缩短生产的时间。由于机械设备的建模和造型都是在计算机中完成，通过对数据进行调整，调整计算机的模型，从而减少生产模型的时间，增加使用的年限；

2) 减低整体的投资费用。由于有限元分析技术是利用计算机，这种效果能够减少有限元分析技术的投资；

3) 提升产品自身的质量。利用先进的技术对其进行优化处理，提升整个产品本身的效果。

4 有限元分析在冶金机械设计中的应用

4.1模型简化处理

有限元分析技术是在计算机的模型分析基础上建立的，如果计算机模型处理的好，有限元分析技术应用的效果就非常好。冶金机械设计的模型结构非常的复杂，需要从动、静两个方面进行分析。想要将一个模型进行简化处理，首先要判断这个问题的性质，是属于线性结构还是非线性结构，是动力学问题还是静力学问题，分析出来后，再根据不同的方法进行正确的处理，进而得出相应的结果[3]。比如：在进行动力分析的过程中，不适宜采用振型叠加法和周期载荷的富力埃级数展开的方式进行求解；对于某个变化或者某个关系式和时间有所关联，就可以按照动力问题进行求解。

一般情况下，冶金机械设计都是一个相对比较复杂的结构，首先要分析这个结构的特征，对这个结构的每个部分进行详细的剖析，按照适合的方式进行简化处理，进而进行合理的计算[4]。切记胡乱的进行简化，比如：利用不抗弯的膜代替抗弯曲的板，利用杆代替梁，将三维立体的块状物体比作轴对称的球体等等问题，这些问题都会造成模型计算的误差。在结构简化的过程中，必须严格的按照力学概念进行简化，操作人员必须对力学中的杆、板、三维图形等等问题有准确的了解，同时，还要了解他们所应用的限制条件，在模型简化中做到精准，提高后期模型计算效果。

目前，在静力分析模型中，已经取得效果的技术包括：烧结混料机的有限元分析与剩余寿命研究、带式烧结机新型星轮有限元分析、烧结机台车卡伦轴承有限元分析等等。

4.2结构解体的规模变小

冶金机械设计隶属于大型工程中，对于这类大型工程中所采用的构件数量比较多，形态比较复杂。为了能够得到非常准确的结果，需要对结构进行分解，分解成很多简单的小单元，由于这个大型结构的求解中涵盖了很多个小节点，方程式的规模也比较庞大。在进行计算的过程中，即使计算机能够满足所有的条件，但是需要花费大量的费用。在这种情况下，在精准化求解的条件下，如何减少花费的费用，成为了冶金机械设计人员一直努力研究的课题。

经过无数设计人员的付出，有了突破性的进展。在机械设计中，可以利用结构的对称性、周期性等固有的特点将问题的规模变小，分解成无数个小单元。在冶金机械设计中，需要设计出很多零部件，比如：发电机的转子、空气压缩机的叶轮等等，如果这些零件的设计都能够按照科学的方法进行设计，将能够保障整个冶金机械设计的效果。对设计中所有的零部件进行整体的分析，不仅要花费大量的人力，还需要大量的物力，同时也很难保证其精准度。因此，如果利用这些零件结构自身的特点，选择某个周期对其进行分析，所花费的工作量将大大减少。特别是对于这类工程量非常大的模型，在模型中有很多相同的零部件，只要对其中一个进行分析，就能得出相应的结果。目前求解的方法有多重静力子结构合动力子结构，利用这两种方法可以在某种程度上减少费用。针对大型工程问题求解还有一种方法就是逐步“钻心技术”，这种设计方法需要先利用粗网格模型的方式将整个结构进行粗略分析，紧接着对局部进行细化分析，将粗分析的结果当做边界条件。如果计算出的结果和所设定的结果有所差距，就需要对局部模型中的某个零件进行详细的分析，根据粗分析的结果作为这个局部零件的边界条件，再次进行精准的求解，希望能够接近设计的结果。对于每次局部某个区域进行分析，所使用的计算量就会大大降低，这样就能提高计算的精准度。

4.3降低设计成本

传统的冶金机械设计中，需要有大量的设计资料和丰富的设计经验，才能研发出一个新的设计产品，这种方式很难开发出新得机械设计，对于提升产品的性能所起的作用也是微乎其微，同时，利用原来的方法需要花费更多的研发经费。随着计算机技术的广泛应用，将有限元分析技术应用到冶金机械设计中，不仅提高了计算的效率，减少了人力、物力的投入，更加增大的经济收益。由于有限元分析技术的独特优势，在某种程度上提高了机械设计的效果，受到了很多机械设计业内人士的喜爱。因此，人才和科技的优势决定了国际竞争市场的地位，将有限元分析技术应用在冶金机械中，大大的提升了我国冶金机械工业的水平，同时，推动了我国工业生产的能力。

5 总 结

在冶金机械设计中应用有限元分析技术，不仅提升了企业的设计效率，使设计方案得到优化，将开发新产品的时间减少，更加降低了机械设计研发的投入。虽然我国很多很多机械生产企业仍在使用过去的设计技术，但是有限元分析技术受到了整个冶金机械设计工作者的喜爱，相信随着有限元分析技术的不断完善，有限元分析技术在我国机械的应用中将得到广泛的应用，继而推动我国工业的发展水平，提升我国国民的经济水平。

[1] 赵雷, 张一夫. 有限元分析技术在冶金机械设计中的应用剖析[J]. 机械化工, 2015(12).

[2] 贺晓辉. 冶金设备有限元分析技术的应用[J]. 矿业工程, 2016(6).

[3] 程勇高, 林元琦. 有限元分析技术在冶金设备设计中的应用[J]. CAD/CAM与制造业信息化, 2012(9).

[4] 廖云祥. 冶金机械设计中有限元分析技术的应用[J]. 企业技术开发, 2013(3).

AnApplicationinMetallurgicalMachineryDesignofFiniteElementAnalysisTechnology

WANG Qiupeng

(Xi’anRailwayVocationalTechnicalInstitute,Xi’an,Shanxi710014,China)

Under the development of computer network technology, the finite element analysis technology has been widely applied to metallurgical machinery design, as plays a key role in metallurgical machinery design. This article first introduces the characteristics of the finite element analysis technology. It fully tells of the development trend and value of finite element analysis technology with its analyses of the application of finite element analysis technology in metallurgical machinery design to make metallurgical machinery technology to a new step.

Finite element analysis technology; Metallurgy; Mechanical design

2016-09-05

王秋鹏(1980-)，男，河南济源人，副教授，研究方向：冶金机械设计，手机：18066533110，E-mail:418812152@qq.com.

TH122

：Bdoi：10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.04.041