机械设计中有限元分析的关键问题分析

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇机械设计中有限元分析的关键问题分析范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘要：有限元分析法在科学计算和分析设计中得到了广泛应用，可以有效解决很多复杂问题，同时也已经成为机械设计中的重要工具。本文首先对有限元分析法在机械设计中的应用及其过程进行了分析，重点对有限元模拟环节中的量纲选择和容差设计等关键问题进行了探讨；最后对影响精度的几个因素进行了阐述。

关键词：有限元；量纲；容差；机械设计

摘要：有限元分析法在科学计算和分析设计中得到了广泛应用，可以有效解决很多复杂问题，同时也已经成为机械设计中的重要工具。本文首先对有限元分析法在机械设计中的应用及其过程进行了分析，重点对有限元模拟环节中的量纲选择和容差设计等关键问题进行了探讨；最后对影响精度的几个因素进行了阐述。

关键词：有限元；量纲；容差；机械设计

引言

科学技术的不断发展使得机器设备制造的精密度越来越高，在具体设计阶段，工程师需要准确的预测出产品的相关技术性能和强度等，同时计算出机械结构的动静力强度等相关技术参数。有限元分析法结合了计算机技术和数值分析技术，已经成为解决复杂设计问题的重要手段；它可以应用于对机体结构应力应变的确定，对静强度进行校核，对耐久性进行分析等等。有限元分析法的最终结果受软件和建模等的影响，不同的处理方式也会造成不同的结果，所以在设计中应该综合分析判断。

1.有限元分析法在机械设计中的应用及其过程

在传统的机械设计中，开发新产品的主要依据是历史资料以及设计经验，在此基础上进行合理改造，这种设计方法不仅耗时长，所设计出来的产品机械性能也不尽人意，导致生产效率低，成本高。分析传统设计方法中的局限，主要是采用的设计思路有限，导致工作具有较大的盲目性，方案的选择没有确定的衡量标准。近年来，有限元分析法被引入我国，其在机械设计中所体现出的优越性很快受到人们的重视，它不仅能优化设计，还大大节省了人力物力，提高了工作效率；有限元分析法已经成为当前机械设计中最为有效的方法[1]。

对有限元分析法在机械设计中的应用过程进行分析，本节通过一个橡胶衬套设计的实例进行说明。1）简化模型。在传统的橡胶衬套模型中，将不影响整体分析结果的部分去掉，如：产品结构的倒角和圆角等，其目的是消除这些部分对单元格划分的质量的影响，同时减小运算量。在本实例中，橡胶衬套是由以下几个部分组成：内衬套、外衬套以及天然橡胶；对其径向受载进行分析，其内衬套是固定的，在径向上的加荷载是沿着没有孔的方向，荷载大小为5000N，速度为5mm/min，图1给出了1/4的截面示意图[2]。

2）划分单元格。在该步骤中，首先需要离散整体模型，找出离散数据中的规律以便进行模拟分析；在进行单元格的划分时，要注意不同的模型有不同的需要，有的还需要建立相应的数据集合，便于在定义特性材料和边界条件时选取部分的方便；3）几何特性定义。将几何特征赋予给建立的模型，如：模型厚度、属于哪一种分析等等。4）材料特性定义。将材料的参数赋予给构成模型；如果是各向同性材料，主要进行杨氏模量和泊松比的定义。5）定义接触条件。对建立模型的各个接触状态进行定义，如：橡胶在受力之后会发生形状的改变，这种接触是橡胶自身之间的接触，称之为变形体；在本例的设计中，，内衬套和外衬套的受力较小，可以认为是刚体；6）定义边界条件。在本实例中，内衬套是固定不动的，其边界条件为fix inner；7）定义荷载状况。8）定义作业。将定义过的工况选择到作业中，一些复杂的模型还需要进行初始载荷的定义。9）定义单元类型。在该软件中，不同的类型结构有不同的单元类型和输出结果。

2.有限元分析法中的关键问题

2.1有限元结果的认识问题

由于有限元分析法的最终结果受到离散和网格密度、单元类型以及边界条件等的影响，另外，一些商用软件在做法上还进行了一些简化。因此，弄清楚软件的算法原理十分重要。在分析商业有限元软件上，几何建模、有限元建模以及边界条件等的处理如果不合理都会造成最终的结果偏离实际，因此要谨慎对待有限元的分析结果。要对有限元结果的可行性进行验证，重视常规强度的计算。在有限元常规强度计算上有三种观点：“替代论”、“对立论”以及“衔接难论” 。

2.2 选择正确的量纲

有限元分析中涉及到的量纲有：质量、长度、时间、力、应力以及能量等。可选择的量纲组合如表1所示。