基于有限元分析探究工程机械结构问题的思考

武欣竹 杨继盛

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201714078

摘要：在计算机技术不断发展的21世纪，计算机技术如今已经在我国各行各业中得到了广泛的运用，相应的许多新的技术也得到了不断的创新和发展，有限元就是其中发展出来的一种先进CAE技术，有限元法如今深受各领域的欢迎，在设计、科学技算及分析方面拥有得天独厚的优势 ，从而使很多极为复杂的设计和分析问题变得简单化，并成功进行了解决。本文对有限元的优势及不足进行了分析，明确了有限元在工程机械结构问题上的应用步骤，并对有限元法在现代机械工程结构问题的应用做出具体的分析，以此希望能为工程机械领域提供一些参考作用。

关键词：有限元；工程机械；机械结构；常见问题

最近几年以来，随着机械制造市場的竞争逐渐激烈化，机械制造企业要想在如此激烈的市场竞争环境下占得先机，就必须对产品的成本及质量采取相应措施，以能对市场进行快速占领，而这也使得企业需要创新研发出一种具有速度快、技术新、成本低的新型设计方法。而计算机技术的不断普及所发展出来的有限元法，也为工程机械结构设计領域提供了新的发展思路，有限元法在工程机械结构设计方面具有得天独厚的优势，其在产品设计和研发方面的作用越发不可代替，如今更是已经成为工程机械制造企业在市场竞争中占得先机的必备工具之一。

一、有限元的优势及不足

有限元法是在计算机技术不断发展而形成的一种CAE技术，有限元具有很多优势，它可以对复杂多样的几何体进行模拟功能，以此使非均质工程结构达到实施及研究的目的。当前，有限元软件在前后处理技术方面得到了充分的改良，使解题步骤越来越趋向于系统化和标准化，而且有限元还能利用图形来实现对结果的迅速计算。其还能对许多较为复杂的材料结构与荷载关系进行计算，并且能使设计方案进行最大程度的优化。有限元法的使用，使得数学的处理步骤得到了更深入的简化。当然，有限元法也有它的缺点之处，它的缺点主要表现在对计算时间方面、资源方面及无限求解域方面。而且当前的有限元软件，仍旧采用着网络自适应技术，而网络自适应技术的研究仍有待完善，致使有限元法需要使用者依靠自身经验才能对网、密度进行选取。

二、基于有限元在工程机械结构问题上的计算步骤

有限元法的计算步骤是：首先，要将待分析的对象离散化，从而离散出有限数量的单元，这些单元数量的规划，要根据实际需求及计算的精度来进行确定。而且，单元规划的越细，其对变形状况的描述情况也就更加精确，与实际所产生的变形情况也会更加接近，但计算量也会随着数量的增加而增涨。其次，待单元数量离散完毕后，对位移模式进行选择，然后对这些单元所具备的力学性质进行研究和分析，以此确立节点位移与单元节点力两者的关系式，导出单元刚矩阵，并将其做为关键步骤，然后再对等效节点力给予计算，通过等效节点力来替代单元承受的所有力。再次，是需要依据结构平衡及边界条件，通过原有结构分析，来使各单位进行重新的联结，以此促使矩阵整体刚度的形成。最后，需要对未知的节点中位移状况给予计算，通过有限元方程公式，来对结果进行计算，并寻找节点进行位移以后，节点位移的所有未知量，并通过有限元方程进行计算结果。从上述内容可以了解到，有限元法能够广泛的应用于声学、热、结构及电磁等方面的分析。

三、基于有限元在工程机械结构问题上的思考

（一）静力学研究

在工程机械结构设计当中，如果结构载荷不会随时间而发生变化，或者随着时间的不断流逝，结构变化不够明显，就应该对工程机械结构的静力学做出研究，有限元法需要分析结构受力以后结构所产生的变形情况、应力变化等相关状况，而这也正是工程机械结构中对有限元法的最常见和最基本的应用方式。

（二）动力学研究

在工程机械结构当中，机械零部件在工作状态下不仅会产生静荷载，还会产生共振现象，而这必然会使机械结构遭受到损坏，从而失去其原有功能。所以，有限元法在进行零部件结构设计时，不仅要考虑其静态下的刚度需求，还要考虑对动态刚度采取检验措施，以使有限元法得以顺利实现。

（三）热应力研究

工程机械结构中有限元法的应用主要是对该结构的工作及安装温度不一致的情况下进行分析的，有限元法的热应力研究还可以用于结构在工作状态时内部温度的应力情况研究，以及内部温度分布情况的研究。

（四）接触研究

有限元法在工程机械结构上的接触研究，主要是对不同结构间彼此接触所产生的法向力，以及接触面的状态情况进行研究。机械结构间力的传递形式主要是通过接触而形成的。所以，有限元在机械结构的研究上也主要是用于接触状态的研究。这种接触研究应归纳于非线性的研究方式，由于过去计算能力受到了制约，制使有限元在机械结构中对触触研究的实践性内容较少。

（五）屈曲研究

有限元法在工程机械结构上对屈曲研究的方法，这种屈曲研究的方法是对结构在出现不稳定状态的情况下，通过对其临界状态所产生的屈曲模态及载荷状况的形状进行明确。

四、结语

本文通过对有限元在工程机械结构问题上的优势及不足进行了探讨，并明确了有限元法在工程机械结构问题上的计算步骤，并基于有限元法在工程机械结构问题上的相关研究方法做出了分析。有限元法在工程机械结构领域中的应用，使得企业在进行工程机械结构设计时，极大的缩短了开发周期，使工程机械结构更加科学、合理。

参考文献：

[1]朱渝春，蹇开林，严波.工程机械底架结构有限元分析的技术处理[J].工程机械，2002（10）：1518.

基金项目：陕西省教育厅项目（15JK1380）

作者简介：武欣竹（1980），女，汉族，陕西渭南人，西安航空职业技术学院航空制造工程学院机械制造与自动化教研室，讲师，主要从事航空制造技术的研究及教学工作，2012年机械工程硕士毕业；杨继盛，男，工程师，西安巨浪精密机械有限责任公司研发部部长，长期从事机床的设计制造与管理工作。