有限元分析在工程机械钢结构设计及结构优化

徐健

摘 要：有限元分析在工程机械钢结构设计及结构优化中得到普遍应用，可用于计算整个结构的载荷，目前其主要用于工程机械钢结构静力学分析求得整体应力。近年来，有限元分析逐渐用于结构动力学分析，以求得工作状态机械结构振动时，载荷满足设计需求。

关键词：工程机械；结构设计；结构优化；有限元分析

一、有限元法概述

1.1 有限元理论

有限元的核心思想是结构的离散化，就是将实际结构假想地离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。近年来随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高。

有限元分析在工程设计和分析中得到了越来越广泛的重视，已经成为解决复杂的工程分析计算问题的有效途径，现在从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析计算，其在机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器、国防军工、船舶、铁道、石化、能源、科学研究等各个领域的广泛使用已使设计水平发生了质的飞跃，但真正的CAE软件是诞生于70年代初期，而近15年则是CAE软件商品化的发展阶段，CAE开发商为满足市场需求和适应计算机硬、软件技术的迅速发展，在大力推销其软件产品的同时，对软件的功能、性能，用户界面和前、后处理能力，都进行了大幅度的改进与扩充。这就使得目前市场上知名的CAE软件，在功能、性能、易用性、可靠性以及对运行环境的适应性方面，基本上满足了用户的当前需求，从而帮助用户解决了成千上万个工程实际问题，同时也为科学技术的发展和工程应用做出了不可磨灭的贡献。近来又兼并了非線性分析软件MARC，成为目前世界上规模最大的有限元分析系统。ANSYS软件致力于耦合场的分析计算，能够进行结构、流体、热、电磁四种场的计算，已博得了世界上数千家用户的钟爱。ADINA非线性有限元分析软件由著名的有限元专家、麻省理工学院的K.J.Bathe教授领导开发，其单一系统即可进行结构、流体、热的耦合计算，并同时具有隐式和显式两种时间积分算法。由于其在非线性求解、流固耦合分析等方面的强大功能，迅速成为有限元分析软件的后起之秀，现已成为非线性分析计算的首选软件。

1.2 有限元分析方法的发展

有限元分析方法最早应用于航空领域，主要用来求解线性结构问题，实践证明这是一种非常有效的数值分析方法。而且从理论上也已经证明，只要用于离散求解对象的单元足够小，所得的解就可足够逼近于精确值。现在用于求解结构线性问题的有限元方法和软件已经比较成熟，发展方向是结构非线性、流体动力学和耦合场问题的求解。例如由于摩擦接触而产生的热问题，金属成形时由于塑性功而产生的热问题，需要结构场和温度场的有限元分析结果交叉迭代求解，即”热力耦合”的问题。当流体在弯管中流动时，流体压力会使弯管产生变形，而管的变形又反过来影响到流体的流动，这就需要对结构场和流场的有限元分析结果交叉迭代求解，即所谓”流固耦合”的问题。

二、工程机械钢结构动力学分析

传统的机械结构设计阐述了静态载荷下强度、刚度分布，工程机械工作强度高，在工作状态下，钢材料受力学作用影响，会出现应力变化，受摩擦影响，还可出现升温，出现机械性能改变，弹性体振动等问题直接影响结构工作状态。故，需对机械钢结构进行动力学分析。以结构的振动特性为例，振动特性直接决定结构对各种动力载荷的响应，采用传统的解析法无法解出复杂结构的固有频率。机械结构可以视为多个自由度的振动系统，自振频率与振型取决于结构本身刚度、质量分布，对于工程机械结构而言，工作状态下，发动机工作振动特点、仪器操作者操控水平、工作面上自振动的人或物振动特点等都影响机械动态状态下载荷。许多机械工程钢结构设计者往往忽略了动力学分析，导致设计完成的构件在工作状态下载荷超出上限，直接影响构件寿命、工作状态，甚至造成事故。

三、工程机械钢结构静力学分析

3.1 有限元法典型分析步骤

有限分析的主要步骤为结构离散化、选择位移插值函数、分析单元力学特性、计算等效节点载荷、整体分析、应用位移边界条件、求解结构平衡方程、计算单元应力。机械工程结构复杂，构件非常多，结构离散化将其分为有限个单元体，并设置节点，将节点连接起来，成为集合体，便代表整个机械结构（被设计结构）的整体设计目标。大型工程机械整体结构基本成熟，现有的结构设计基本上是对原有结构中的某个局部进行优化改进或替代设计。钢结构是连续的弹塑性体，故为了逼近连续的弹塑性统，需据计算精度、计算机性能，选择合适的单元数目、基本设计结构，以确定较优的网络划分方案。位移插值函数表现节点唯一中任一点位移、应变、应力，即位移函数。

3.2 有限元法参数化分析技术

有限元的参数化分析是对结构参模型进行简化的一种方法，通过描述结构的尺寸特征，实现可变参数的有限元分析，目前普遍采用有限元分析软件进行参数化分析。第一步：①利用参数化实现，根据钢结构的结构抽象描述特征参数，在不影响精度情况下进行简化；②利用软件提供的编程软件，建立参数化有限元分析流程；③根据设计要求，将参数赋予特征值，进行有限元计算分析。第二步是参数化分析的核心，以变量形式定义特征参数，定义分析类型与过程，定义分析结构的提取与处理。以双梁式起重机主梁为例，其参数主要包括主梁长、主梁宽、主梁高、主梁端高，上面板宽、尺寸，下面板宽、隔板高、腹板厚、上面板厚、下面板厚、隔板厚、隔板位置等，分别设置为A1-n，单位为mm。采用SolidWorksSDAAPI程序，添加SldWorks2014TypeLibrary、SldWorks2014Constanttypelibrary模块，进行相应的设计页面，设置参数，进行计算。

结束语

工程机械逐渐向智能化、系统化发展，构件越来越多，系统越来越复杂，同时工作工况恶劣，还可能存在操作不规范等原因，在进行钢结构设计时，需考虑的因素较多，采用有限元分析方法势在必行。设计者们应具有扎实的理论知识，并尽可能具有实践经验，以指导结构设计。

参考文献

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[3]李黎明。ANSYS有限元分析实用教程[M]。北京：清华大学 出版社，2015。