机械设计中有限元分析的几个关键问题

潘朗

摘 要：有限元分析是利用数学近似的方法模拟真实物理习题，可以对高难度问题得到高精度的计算结果，在机械设计领域得到了广泛应用。本文对有限元分析方法在机械设计中的应用进行分析，针对有限元分析应用的关键影响因素提出相应的解决对策，着重介绍如何做好容差设置、量纲选择、单元选择和网格密度设置等关键工作，以更好的发挥有限元分析的优势和作用。

关键词：机械设计 有限元分析 影响因素 对策

Some Key Problems of Finite Element Analysis in Mechanical Design

Pan Lang

Abstract：Finite element analysis is a mathematical approximation solution in simulate real physical cases， which can obtain high precision calculation results for high difficulty problems and has been widely used in mechanical design field. This paper analyzes the application of finite element analysis method in mechanical design， and puts forward corresponding solutions to the key influencing factors of finite element analysis application. It mainly introduces how to do well in key works such as tolerance setting， dimension selection， element selection and grid density setting， so as to give full play to the advantages and functions of finite element analysis.

Key words：mechanical design， finite element analysis， influencing factors，  countermeasures

随着计算机技术的不断发展，有限元分析技术在机械设计领域得到了越来越普遍的应用，借助有限元分析软件可以根据机械零件几何特征建立有限元模型，分析单元的力学性质，结合力的平衡条件等因素形成整体刚度矩阵，计算应变和应力，从而对零件设计进行优化，提高零件刚度和强度等性能指标，降低零件生产制造成本，满足工业设计与生产需求。有限元分析的应用范围十分广泛，可以用于金属材料、复合材料等不同材料的零件设计，成为机械工程领域基本的分析方法之一。

1 有限元分析在机械设计中的应用原理和流程

有限元分析是一种数据分析处理的方法，使用数学近似的方法模拟真实的物理习题，可以用简单的近似问题代替复杂的问题进行求解，以有限去逼近无限。这种分析方法中互连子阈被视为组成解阈的因素，使用假定的简单的近似解匹配给各个单元，对这个阈总的满足条件求解推导，得出问题的解。在这一过程中，得到的并非问题的准确值，而是近似值，但通过有限元分析使用简单问题替代实际问题求解，可以对复杂问题得到精度较高的计算结果，具有很强的实用性和适用性。

传统的机械设计基于以往的经验进行设计，需要结合现有的资料研发新的产品，根据既有经验对产品设计进行优化改进。这种方式需要耗费设计人员大量的时间和精力，且受限于设计人员自身的经验水平和现有资料，设计优化的提升十分有限，不仅设计与生产效率低，而且效果往往并不理想。主要原因在于传统设计方法没有选择的余地，设计工作中存在盲目性的问题，缺乏准确、可靠的数据支持，难以对设计与生产效果进行科学的评估。有限元分析法的引入，可以大大降低设计人员的工作负担，减少了人力、物力和材料等方面的消耗，缩短了设计时间，更重要的是大幅提升了机械设计的上限，使机械设计与产品制造效果得到保障。

有限元分析在机械设计领域有着广泛的应用。在计算机技术和数据处理技术高速发展的背景下，有限元分析在解决复杂问题上发挥了重要作用。例如可以借助有限元分析法进行外部荷载对机体结构应力应变的分析，可以解决损伤容限分析和实验中的荷载验证等问题。在具体应用过程中，需要先简化模型，对单元格进行划分，再对几何、边界条件、载荷状况等进行定义。其中，机械模型简化是将研发的新产品模型中不重要的部分去除，比如机械结构中倒角等不影响机械生产的部分，去除这些部分不会影响机械生产质量，可以降低有限元分析的工作量;单元格划分是对机械模型进行划分处理，根据模型构建有限数据，便于设计人员从分散数据中总结模拟分析的规律;定义机械的几何特点包括零件应力、厚度等几何特征，从而可以根据产品几何特征制作相应的模型，需要注意材料特性的定义问题，机械模型应构建材料参数，同时还需要定义接触条件、载荷状况等内容，确定机械模型的受力与材料等因素。设计人员需要重视接触条件和单元格的分析，这两个因素会对有限元分析结果造成直接影响。还需要注意的是，对完成的机械模型，需要对其类型进行定义，有限元分析法中不同結构类型有不同的单元类型。

然而有限元分析法也有不成熟的方面，例如在强度校核方面尚处于探索阶段。在应用有限元分析法进行机械设计的过程中，设计人员需要对分析结果辨证看待，不盲目相信也不能盲目否定，要有严密的思维和科学的判断，对有限元分析的计算原理有清晰而充分的认识，对实际结果与分析结果的差异有科学的分析，验证有限元分析结果的可行性，尤其要重视常规强度的计算问题。