机械结构误差分析中有限元法的运用

方 芳

(黑龙江省机械科学研究院，哈尔滨 150001)



机械结构误差分析中有限元法的运用

方 芳

(黑龙江省机械科学研究院，哈尔滨 150001)

有限元法是一种成熟的分析方法，在机械结构的误差分析中至关重要，因其重要性以及自身优点，它被广泛运用于机械结构的误差分析当中，以便提高机械结构的精确度和稳定性。随着信息技术的发展与进步，有限元法的使用范围会日益扩大，其用途也会与日俱增。

机械结构误差；有限元法；误差分析

1 结构化模式分析

在具体施工过程中，人们需要对一些便携式设备进行人工移动，因此对设备的重量提出了要求，要使设备重量控制在工作人员可以承受的范围之内。针对这一要求，一般情况下便携式设备的壳体材料都是由重量相对较轻的塑料所组成。另外，在工作人员移动便携式设备的过程中，还需设备能够承受相应的重量。与此同时，设计人员还要充分考虑到在移动设备过程中避免因碰撞给设备带来的损坏，这就要求移动设备还要具有一定的刚度和强度。

2 壳体模型建设

2.1 壳体模型单元化设置

在综合考量壳体模型化空间之后，对壳体的精度和时间进行了计算，最终选择的模型为BRICK SOLID 45。

2.2 壳体材料模型设计

研究所选用材料型号为ABS+PC的塑料，同时在研究过程中采用的都是最小应力，因而此次选择具有弹性的材料。

2.3 模型建立

在CATTA软件中，壳体主要由几个配件组成，因而在将其导入ANSYS系统时，每个零件之间也是相互独立的。针对这一情况，在对ANSYS系统中有限元进行分析时，可将这些零件看成一个整体，之后对约束条件进行真实模拟，最后将系统中的零件转换成为一个完整的整体。

2.4 设置网格类型

依据设置好的材料和单元类型，选取对应实体，然后对系统中的壳体进行网格类型划分。

2.5 设置有限元载荷和边界条件

在实际建立模型的过程中，因壳体模型的受力面主要集中在背面，载荷受到的也是横向的弯曲力。因此，可以将壳体后板看作近似四边铰支的结构。此外，因壳体在实际工作中受到的荷载力是一种随机的作用，因而在进行模拟时，应将荷载力集中在壳体变形区域最大的位置处，唯有这样，才能使零件设计满足要求。依据薄板受到力量会导致变形这一特性可知：若是荷载的作用点位置集中在壳体的中心位置时，此时壳体的变形量可达最大。因此，可在壳体的中心处施加重量为150 N的横向作用力，并在壳体侧面分别沿三个轴向(x、y、z)进行位移约束。

2.6 求解

可以通过增加壳体零件的厚度来达到增加零件刚度的目的，然而，这样会相应地增加壳体材料的使用，既增加产品生产成本，还会增加零件的重量。为了达到最初的设计需求，最终采取了强化位置设计加强筋的方法，有效解决了零件刚度不够的问题。这就要求精确计算出在零件的什么位置需要进行加强，但这在实际的设计过程中很难完成，一般情况下零件都是不规则的形状，在实际情况下很难达到理想的状态。针对这一情况，我们并未在壳体零件上设计过多的加强筋，此外还进行了量化设计，通过ANSYS软件对壳体零件实施了有限元分析。首先，分析壳体在实际使用过程中的受力情况。一般情况下，处于弹性变形范围内的应力和弹性都是线性关系。其次，通过ANSYS软件处理器寻找出应该变大的区域，这一区域就是应该加强的区域。然而，因在使用壳体的过程中，材料载荷的位置具有随机性，所以需要对情况进行简化，将壳体表面上每个点的受力情况看作是相同的，之后将所有的可能性实施叠加，分析计算出应力较大的区域范围，确定出加强筋的具体位置，最终达到最初的设计需求。

3 机械结构误差分析中有限元法的运用

3.1 机械结构设计过程中存在一定误差

力学是机械结构设计过程中首要考虑的要素，包括动力学、静力学和运动力学，其他要素如:结构学、几何学以及材料学必须建立在力学的设计基础之上。任何一项结构设计都为了某种功能的实现，因此，必须分清设计过程中的主次变量，尤其是忽略众多的次要变量。为了实现将变量按照重要性进行分类的目的，引入了有效元法并且设定相关的参数，衡量变量的重要程度以及对误差影响大小的关键因素，在此基础上设置一定的方程，就可以反映设计过程中的变量对误差的影响程度。然而，机械结构设计误差受多方面影响，例如:设计工具出现误差会导致机械结构的误差；设计人员的专业程度与设计水平也会造成一定的误差；烦琐的设计工序也会给机械结构设计带来一定的误差。

3.2 机械结构制造过程中存在一定误差

要想完成机械结构的制造工作，必须首先考虑制造方法，然后才是制造流程与制造工具。在现实社会中，运用一定的方法制造出某种机械结构，从而为生产生活提供服务，是结构制造的目的。为了将设计变成现实，很好地制造出相应的机械结构，必须分清制造过程中的主次变量，将诸多的次要变量忽略掉。同样，引入有限元法可以将变量按照重要性进行分类设置并设定出具体的参数，通过相关的方程来反映出设计过程中变量对误差是否存在影响，存在着怎样的影响。但是，诸多的原因导致了机械结构制造过程中的误差，例如:制造工具所带来的误差；制造人员的熟练程度所造成的误差；烦琐的制造工序也会给机械结构制造带来一定的误差。

3.3 机械结构运转过程中存在一定误差

机械结构所处的外界环境是机械结构运转过程中首先考虑的要素，其次要考虑一定的摩擦、损耗与材料的老化。结构运转的意义在于更加准确、持久地输入某种功能。为了实现这个意义，在机械结构运转过程中需要分清主次变量，同时忽略众多次要变量。同样，有限元法的引入可以将变量按照重要性分门别类，并设定相关的参数，通过相关的方程来反映设计过程中变量对误差的影响程度。由于参数的大小可以反映变量的重要程度且对误差的大小具有重要影响，所以参数的设定相当关键。造成机械结构运转误差的主要原因为周围环境的突变等所带来的机械结构的误差。

误差是社会事物中普遍存在的一种现象，对机械结构也不例外，在机械结构的设计、制造与运转环节中都会存在误差。作为实际值与理论值的差值，误差具有不可消除性。只有尽可能地减少误差的存在，才能更加完善机械结构，因此必须找出误差及影响其大小的变量。在寻找变量的过程中，要注意虽然所有与机械结构产生联系的事物都有可能对机械结构产生误差，但并非每个因素都要考虑作为变量。在众多变量的选择过程中，要重点考虑那些对最后结果起重要作用的因素，并分析找出其中起决定性作用的因素，这种起决定性作用的因素才是真正的变量。

在设计方程方面，可作如下的考虑:设误差为b，各变量设为a1、a2、a3……aN(a为变量的个数)，变量所对应的参数设定为w、x、y、z……则可得此方程b=w×a1+x×a2+y×a3……联立解方程。可以将测得的变量值与误差带入该方程中，N个变量就存在N组观测值，也就需要联立N个方程。通过各个方程联立成方程组，通过解方程组分别得出参数w、x、y、z……的值。简言之，参数值就是对应变量对误差的影响程度，也称权重。可以通过权重的比较得出相应结论，即该变量对误差所造成的影响程度。

3.4 有限元法在机械结构误差分析中的利弊

在机械结构误差分析中，有限元法具有如下优点：有限元法理解简单且操作方便。随着信息技术的日新月异，尤其是计算机处理技术的高速发展，有限元法对机械结构误差分析的作用显得越来越重要。由于有限元法在软件方面具有得天独厚的条件，所以不论是大型分析软件还是小型、微型分析软件，它都可以顺利实现。有限元法在机械结构误差分析方面也不是完全有利的，它仍存在一定的弊端：由于忽略了某些难于找出的变量，会使最终分析结果不够完整甚至出现错误。另外，针对一些复杂的机械结构，如:汽车底盘、飞机引擎等，其变量数以百计，有限元法的使用就显得异常复杂，这就对计算机和其他设备提出了更高要求。

[1] 姚旭.有限元法在机械结构模态分析中的应用[J].机械工业，2012，(05):41-43.

[2] 邢蕊.基于PLC控制的机械结构系统中的应用[J].科技传播，2012，(02):66.

Application of finite element method in mechanical structure error analysis

FANG Fang

(Heilongjiang Institute of Mechanical Science, Harbin 150001, China)

Finite element method is a mature analytical method, which is very important in the error analysis of mechanical structure. It has been widely applied in the error analysis of mechanical structure due to its importance and own advantages, which can improve the precision and stability of mechanical structure. With the development and progress of information technology, the use of finite element method will be expanded.

Mechanical structure error; Finite element method; Error analysis

2016-12-09

方芳(1977-)，女，工程师。

TH122

B

1674-8646(2017)04-0124-02