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摘要：有限元分析方法在进入到我国以后，随着计算机技术的发展，和数据处理水平的不断提高，该方法得到了有效的应用，尤其是在我国机械设计专业领域，为一些复杂问题的解决提供了重要的方法与工具。本文首先分析了有限元分析的概念，有限元分析法在机械设计中的基本应用，进而分析了有限元分析法应用在机械设计时所需注意的几个关键问题。

关键词：机械设计;有限元分析;关键问题;产品质量

中图分类号：TH122                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2020）20-0179-02

0  引言

随着科学技术的发展，人们在机械设计中不断地应用更加精密的设备，在设计的过程中，就需要相关的设计人员能够预测出产品的性能、强度、寿命等，并且正确引入相关技术参数来进行精确的计算。近些年来，随着我国计算机技术的发展以及数据分析相关技术的发展，为相关的计算提供了有效的方法与手段。将有限元应用力分析应用到机械体结构上，能够充分计算外部的荷载量，以及所引发的应力应变、强度、耐久度的分析，从而能够有效地提高零件的质量，减少零件材料的成本。

有限元分析的结果与软件、建模等有关，在分析过程中，处理方式不当可能造成结果的差异，所以不能过度迷信有限元软件的结果，需要根据具体的情况具体分析。

1  有限元分析的概述

有限元分析方法作为一种数据处理分析的方法，是近些年来新引进入我国的一种数据分析的方式，其英文名字为FEM。它主要是运用数学的计算方法，模拟出物体真实的几何形状，以及负荷量状况，能够将无限的未知量展示出来，这种复杂的计算方法能比其他的代数方法更加准确[1]。

有限元方法是在计算机技术和数值分析方法的基础上发展起来的。作为一种有效的手段，有限元分析应用在应力分析等领域中，对于机体机构上的外部荷载引起的应力应变以及耐久性、损伤容限、强度等均可以采用试验的方式进行。

有限元分析的过程会发生结果的差异，这与使用的软件和建模过程有关系，在设计中对于软件结果不能迷信，而是要谨慎对待处理方式不通带来的结果差异。对于具体问题应根据模型试验验证判断结果而来，方能确定有限元结果正确性。

2  有限元分析的注意事项

工程人员对于有限元分析的精确度和正确性较为关注。这是因为有限元结果的正确性关系到工程实际的运行。凭借问题处理经验和有限元理论分析结果，对于有限元分析的注意问题可以归纳如下：

①对于有限元分析方法的运用，注意有限元分析方法的流程，加强对有限元结果的认识。离散网络密度、形函数构造、单元类型、边界条件处理都会产生对结果的影响。在商用软件中，算法经过简化，适用于一类问题，使用软件的算法原理，得到合理的有限元分析结果。

②使用商业有限元软件进行分析，受到边界条件、几何建墨、有限元建模的影响，模拟的结果可能偏离实际情况，谨慎对待分析结果，通过算例和简单的试验验证有限元结果的可行性。防止片面思想影响有限元结果的准确性。对于有限元模拟结果不全面否定，也不全面肯定。

③对于量纲的使用，根据涉及到的量纲的质量、长度、时间等，对于输入量进行协调。

3  有限元的分析方法在机械设计中的基本应用

在机械设计中，应用有限元分析方法具有明显的优势，能够充分的结合当代的计算机的发展与科学系统的计算方式，它能够有效地解决机械工程中各种复杂设计问题[2]。例如它可以准确的确定外部的荷载对于机体的应力变化，从而使得其容限的分析能够得到反复的验证。相比于其他的方法有限元分析，能够节省大量的人力物力，使设计的成本大大减少，提高设计工作的效率，凸显出了设计的优越性。

一般而言，有限元分析法在机械设计的应用中，可以分为以下步骤：简化模型、划分单元格、定义几何特征、定义材料特征、定义作业、定义单元类型等几个方面。但是需要提醒的是，单元格的密度、边界的条件都会影响有限元分析方法最终的结果，其结果不仅会受到数据采集处理的影响，也会受到软件及建模过程的影响，所以在进行有限元机械设计时不能够盲目的相信结果，需要重视强度的计算，弄清楚软件计算的原理，分析实际的偏离状况，同时还要对有限元结果的可行性进行充分的验证[3]。

4  有限元分析方法的影响因素

将有限元分析方法应用在机械设计的过程中，还受诸多因素的影响，为了促进其结果的准确性与精度的提高，需要在进行有限元分析过程中相关的工作人员要做到科学合理的安排，从而使得其结果能够充分的應用到实际的操作当中。通过对于有限元理论的分析，结合利用有限元分析进行实际的设计经验，可以将其分为以下几个方面：

4.1 容差的设置

作为一个系统科学的有限元分析软件，需要有前置处理解算器以及后置处理来组成。其中前置处理与后置处理中的容差设置会直接影响着几何模型的精度，进而影响着有限元处理结果的精度。如果容差设置的范围不同，其得到的模型结果和有限元分析的结果也是不同的。在有限元分析计算中，还受到解算器的收敛精度的影响，这直接影响收敛的精度。所以解算器中求解收敛精度的设计是有限元分析的一个重要的工作内容，需要有效的设置解算器中求解收敛的精度。

4.2 量纲选择

将有限元分析方法应用到机械设计中，常用的量纲主要包括质量、长度、应力、能量等，所以在输入各种量纲的过程中，必须要协调一致。尽管理论上而言是可以随便选择量纲的，但是实际上如果量纲选择不合理也会造成数据处理中的一些数据偏大或者偏小，在计算的过程中出现比较大的误差，从而影响有限元分析计算的结果。因此在有限元分析处理计算的过程中，必须要选择合适的量纲。

解算器中求解收敛精度的设置，影响计算成本的大小，也影响求解的精确度，对收敛精度的设置是一项重要的工作。从理论上讲，协调量纲的关系，不可随意选择精度值，判定模型数据的结果。因为一旦量纲选择不合理，会造成参数出现差异性，数据精度受到限制，计算出现误差。例如几何模型数据过大或者过小时，在数量级上接近几何模型数据的也会发生误差。操作中，协调考虑容差的设置，合理选择容差设置[4]。

4.3 单元选择

有限元分析的前置处理主要包括几何建模、单元定义、材料定义以及网格划分。而其中的网格划分就是按照几何模型定义的单元格形状进行系统的离散，单元是其中的一个定义函数，对于单元和节点的物理量的关系，起着重要性的作用。单元插值形函数均采用不同阶次的幕函数多项式形式，所以当其为线性函数时，在单元内发生线性的分布，应该变为常量。若其为二次函数时，作为单元内的应变量不再是常量，而是需要成线性的分布。在常见的机械设计中，有限元分析处理的结果会受单元选择的影响，在形函数中，如果阶次越高，有限元处理的结果的精度也会越高。但是随着单元节点的乘倍数的增加，形函数的阶次也会系统增加，导致有限元计算成本的大幅度提高。所以需要充分结合处理结果的精度与成本来考虑，根据实际的要求来进行合理选择单元。在各个软件的单元处理中，每个单元都会有其计算说明，所以在进行单元分析处理之前，需要充分了解每个单元的自由度及其它的具体特性，来根据实际的操作需要选择合适的单元。作为理想的网格，需要包括三角形、正方形等多个形体，但是由于其结构复杂，而且多样，难以采用合适的单元格来进行划分。为了使其结果与理想的状态不会产生太大的偏差，需要使单元格尽量接近于理想的单元格的形态。每种商业软件的单元库中的单元有对应的算法，给出对应的荷载类型、单元结构对应的自由度，认真了解网格是正方形、还是等边三角形、等边四面体，根据结构的几何形状寻找理想的单元结构，获得可以接受的结果。实际中对于单元形状质量，要通过评价指标来进行判定，包括单元扭曲都和单元边长值，都在评价范围内。例如：

对3节点三角形、4节点四边形、4节点四面体、8节点六面体等现行单元，单元编程小于3，对6节点三角形和8节点四边形、10节点四面体、20节点六面体等二次单元，单元编程比应小于10。

4.4 网格密度

有限元分析处理结果与网格的密度有密切的关系，在机械设计中进行有限元处理过程中，需要采用正确的方法，例如拉伸法、自由划分法、应设法、手工分割法等多种方式来进行建模。在同一对象进行处理分析的过程中，由于不同部位的网格密度不同，有的需要进行网格的加密，有的需要稀疏的網格。这主要是因为分析对象上的应变应力不同，例如在几何凹凸角孔洞等容易突变的部位，或者是两种材料相连的部位，又或者是产品边界比较复杂的区域，这些都是应力集中的现象，需要进行更加准确与复杂的分析，才能进一步的提高其计算的准确度。从而能够在一些应力急剧变化的部位，采取更加精密的网格密度来提高计算结果的准确性[5]。

另外，如果相邻的两个单元的应变幅度过大，对于其计算结果也会产生严重的影响。例如在塑性成形过程中，两个相邻的单元格的梯度一般要小于5%，这需要在机械设计中充分考虑。在有限元分析的过程中，由于网格的密度会影响到计算的准确度，如果网格过于稀疏，会导致计算的精确度下降，如果网格过密，也会导致计算成本增加，也会对计算产生不利的影响。所以在进行机械设计的有限元分析过程中，需要综合的考虑精度与成本，从而选择最优的网格密度，来提高设计效率。

5  结束语

有限元分析方法提供结构力学方程的近似解方法。随着计算机的飞速发展，方法已经成为机械设计的主要手段。受到假设适用性的限制，使用相关软件需要充分考虑单元类型、容差选择、量纲选择、网格密度、单元形态，通过不断的时间探索，对于商用有限元软件进行结构分析获得的结果，总结经验的接触上，重复加以计算、对参数进行调整，提高有限元使用的精确度，更好地运用在设计中[6]。

总而言之，将有限元分析方法应用在机械设计过程中，能够有效地提高机械设计的效率。但是不可否认的是，有限元分析方法并没有普及，在一些方面还是存在着不足，实际使用中要正确认识这些不足，权衡各种实际情况，从而选择最优的方法，得出最优的设计结果。

参考文献：

[1]马建，孙守增，芮海田，王磊，马勇，张伟伟，张维，刘辉，陈红燕，刘佼，董强柱.中国筑路机械学术研究综述·2018[J].中国公路学报，2018，31（06）：1-164.

[2]《中国公路学报》编辑部.中国汽车工程学术研究综述·2017[J].中国公路学报，2017，30（06）：1-197.

[3]薛磊.机械设计中有限元分析的关键问题研究[J].机电产品开发与创新，2015，28（02）：77-78，50.

[4]龚亚琦，苏海东，李家正.江坪河水电站导流洞衬砌失效条件下涌水量计算及预测分析[J].水力发电，2020，46（6）：66-68.

[5]范需，戴宁，王宏涛，等.气动网格软体驱动器弯曲变形预测方法[J].中国机械工程，2020，31（9）：1108-1114.

[6]杨志清，潘中良.基于金属基复合材料的硅通孔热应力仿真分析[J].电子元件与材料，2020，39（5）：97-102.