机械设计中有限元分析的几个关键问题

武龙 尚深泉

【摘  要】随着我国计算机科技的迅猛发展，有限元分析开始被引入，与之相关的数据操作和数据处理技术也逐渐得到完善，而机械设计行业也正在广泛的应用这一数据分析方法，有限元分析法逐渐成为机械设计领域中解决各种复杂问题的主要方法。而我国经济水平的提高也增加了对机械设计行业的要求，这对有限元分析来说是一种机遇更是一种挑战，这时就会发现在机械设计中有限元分析存在一些问题和缺漏，以下内容对有限元分析进行了介绍，指出了在机械设计中有限元分析存在的关键问题，并提出了解决问题的相关策略，从而促进有限元分析更准确的应用到机械设计领域中去。

【关键词】机械设计;有限元;问题

在机械设计中应该根据现实情况来使用有限元，要综合各种不同的工程状况来进行数据分析。随着各种机械设备的需求量增大，这时就体现到了机械设计的重要性，而在机械设计中，设计人员应该精确的对工程数据进行计算和分析，准确的预测出所设计机械的使用寿命、使用价值以及运用强度等性能，有限元分析在这一程序中就起到了重要的作用。而在机械设计中不能盲目的以有限元分析出的数据作为最终结果，目前仍有几个问题存在有限元分析中，所以设计人员必须对分析结果进行多次检验，保证数据的正确性。

一、机械设计中有限元分析概述

有限元分析是我国引进的一种可以对数据进行分析和处理的有效方法，它的简称是FEA，有限元分析可运用的技术原理类似于数学方法，它通过来模拟各种几何系统、荷载情况等，再利用有限数量的单元分析来接近我们未知的数据，并且得到未知量。在机械设计中就有有限元分析的引入，有限元分析的优势是可以用简单计算方法来取代比较复杂的问题进行运算，从而解决复杂问题中计算结果不准确这一漏缺，有限元计算比较精准，因此它是一种非常高效率的计算手段。在机械设计中，因为有限元分析方法比其它机械设计分析方法更为精密，并且有十分复杂的代数计算过程，因此有限元分析方法运用到机械设计中就会出现一些问题。

二、有限元分析在机械设计中的意义及运用过程

1.有限元分析在机械设计中的重要性

传统的机械设计在进行工程设计时，主要是根据各种相关资料以及前人的设计经验来进行设计分析，这种方法不仅消耗大量的时间，而且分析出来的数据也不够准确很容易出现错误，造成所设计机械在制作过程中效率低，但是成本普遍偏高，而且机械的应用效果和后期的使用寿命都受到了一定的限制。而近些年来引进的有限元分析方法，可以有效的提高机械生产效率，解决传统设计方法中缺乏设计思路以及数据计算错误等问题，它在机械设计中能够精准的优化设计，节省了很多劳动力，节约成本。有限元分析的准确和便捷为设计人员提供了很大的帮助，成为当前我国机械设计领域中重要的技术手段。

2.有限元分析在机械设计中的运行过程

有限元分析在机械设计中主要的实施作用就是优化设计理念、进行理论指导、操作数据分析等，它是联系机械设计和机械未来应用水平的关键枢纽。机械结构的离散化是有限元分析中的基础第一步，通过把数据进行离散以及单元格划分来实现机械模型的整体分析，其次再根据分析结果来对机械进行简化，去除设计中对整体没有很大影响的部分，然后再进行新产品的模型制作，并进行单元力学性质的分析，对机械设计进行更加精细的处理，然后根据各种条件将单元格进行重新组合，由几何方程来进行相应的数据计算。

三、机械设计中应用有限元分析应该注意的几个关键问题

1.容差设置问题

完整的有限元分析软件一般可以分为三部分，其中包括前置处理、解算器和后置处理，这些操作步骤还可以对有限元分析出的结果产生影响。在有限元分析中如果有不同的容差设置，那么进一步将单元进行整合得到的模型和数据就会出现差异，而现如今已经出现很多事例可以证明几何模型的精准度对有限元分析结果也会产生影响。而想要得到一个好准确度的计算分析结果，就应该处理好容差设置问题，相关的设计技术人员应该在设置容差时做到科学合理，将每一道操作步骤都进行准确的检验，从而得到一个准确的分析结果，将有限元分析熟练的应用到工程设计中去。

2.所设置的求解收敛精度

有限元分析所得到的计算结果也会受到解算器的影响，因为在解算器中可以设置的不同的求解收敛精度，因此对有限元分析所得到数据就会造成影响，解算器中求解收敛精度的设置在有限元分析中是一项非常关键的步骤，所以机械设计人员一定要对不同类型的机械器材，加以不同的求解收敛精度设置，保证应用限元分析对机械设计进行计算可以得到一个高准确度的数据结果。

3.量纲的选择

在有限元分析应用到机械设计中，主要包括所测量的质量、长度、所需的能量、所用的时间、以及力和应力等这几个常见的量纲，而进行有限元分析中，所输入量纲必须要和前后设置中的相互一致，从而保证有限元分析的计算结果。虽然从整体来看，量纲选择只要协调一致，就可以对其自由选择，但是在大多数的实际操作上，有限元分析数据结果都会受到所选择量纲的影响，而量纲的选择在操作中产生的影响比较细微，但是在计算结果中却不可忽视。如果选择了不够合理的量纲，就会让数据处理过程中的一些信息和数据造成不同程度的偏差，从而让计算结果产生误差，所以在利用有限元分析进行机械设计时，一定要对量纲的选择进行合理严密的选择，保证分析数据的准确性。

4.单元的选择

单元的选择也是机械设计应用有限元分析的一和主要问题，在应用有限元分析时，所涉及的每个单元库中，都有相对应的单元计算结果，而在对单元进行选择之前，相关的机械设计工作人员应该充分了解每个单元库中不同单元各自的相对应自由度、单元属性以及所荷载的类型等各种单元特性。对单元进行详细的了解之后，技术人员应该根据所设计机械的不同实际情况来对单元进行准确合适的选择。等边三角形、正方形立方体等几何图形也是网格选取几何中比较常见的图形，但是几何图形具有多样性而且种类比较复杂，所以不是每一个机械器材都是要使用这些理想中的网格来进行单元离散，应该让使用的单元更加实现理想单元的形态，从而让计算分析结果更加精确，达到合理选择单元的目的。

5.网格密度的确定

在进行有限元分析的过程中，所确定的网格密度的高低情况也会影响到所计算数据的准确程度，而且网格密度对有限元分析结果的影响非常大。所以在机械设计中的有限元分析时，一定要综合各种方面比如计算的精度和分析成本来考虑网格密度，在不同的密度中选择准确的网格密度，根据不同的部位來设置不同的网格密度。

结束语

有限元分析在机械设计中虽然是一种非常行之有效的计算方法，但是它的发展历程还不够悠久，在一些细节上也不够成熟，因此有限元分析在一些方面也存在一定的不足。有的机械设计运用有限元分析计算出来的数据结果可能会与真实数据产生严重偏差，这样的分析结果就不能使用，而影响有限元分析结果的因素有的可以解决，有的却不能避免。所以在使用有限元分析方法时，技术人员不能单一的进行结果计算，还应该对结果进行多次检验，通过模型模拟以及问题分析来验证所分析结果的正确性，减少机械设计中因为数据计算发生的失误。

参考文献：

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[3]唐琪森，杨凯.浅谈机械设计加工常见问题及对策[J].南方农机，2019，50（09）：117.

作者简介：

武龙（1991年生），男，江苏省徐州市人，工作：保定长城汽车股份有限公司-动力研究院-发动机试制工程师，研究方向为机戒设计及自动化

尚深泉，（1985年生）男  河北省保定市人，工作：保定长城汽车股份有限公司-动力研究院-发动机试制工程师，研究方向为零部件（缸盖，缸体，各种零部件，）的研发试制工作

（作者单位：1上海应用技术学院;2邯郸职业技术学院）