机械设计的有限元
分析
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及结构优化摘要：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。关键词：机械设计;有限元分析;结构优化;引言随着计算机技术的快速发展，有限元分析越来越被广泛应用在机械设计中。通过有限元分析软件，根据零件的几何特征建立有限元模型，对单元的力学性质进行分析，最后根据力的平衡条件和边界条件联结，形成整体刚度矩阵，求出应变和应力。通过分析，可以对零件的设计结构优化，在提高零件的刚度与强度的同时，降低制造成本，满足更多的性能要求。这种方法可以用在多种领域的设计中，如汽车零部件、土木建筑、水利工程、造船、电子技术等，也可以在各种材料中应用，如塑料、金属材料、复合材料等，特别是对材料在具体结构中承载后应力应变和变形的分析，已经成为机械工程最基本、最常用的分析方法。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。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有限元方法运用关键步骤分为结构离散化、位移插值函数选择、单元力学特性的分析、等效节点载荷计算、整体的分析和位移边界的应用条件求解等。使用计算单元应力方程、结构平衡方程对于单元结构进行有限元分析，设置节点并加以连接，形成结合体，将整体机械结构加以设计，目标是机械结构趋于成熟。有限元分析方法的运用，分析机械结构的静力学，得到原有结构中需要改进和优化的部分参数，对于某个局部加以替代或者加以改进。以钢结构例，在进行连续的弹塑体的钢结构的结构分析时，其弹塑性区域连续，逼近连续。根据计算机的计算，对钢结构的精度和性能进行了计算，得到单元数目和基本设计模型。划分了网格，确定了位移插值函数，判定函数节点，分别设置为应变、应力、位移，在进行函数节点的能源力学特性以及位移函数的应变计算时，使用弹性力学几何方程，使用节点位移表示单元应变，钢结构连续弹性经过离散，得到了从单元公共边界传递过来的集中力和体积力以及单元边界的表面力，移植到了节点上，形成等效节点载荷。3有限元分析方法的影响因素3.1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。3.2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
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，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。4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。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.结束语机械设计中的复杂结构采用有限元分析的应用方法，通过静力学分析的方式对于二维和三维的机械结构，主要分析其变形和应力应变，这是机械工程中常用的分析内容。进行复杂结构有限元分析，要随着时间的变化，通过静力学分析对于结构荷载加以动态的建模。模态分析是动力学分析的一种，用于研究结构的固定频率和自振形式的特性。施加荷载是位移和预应力荷载，而瞬态动力学分析可以对上述分析进行动力学分析，获得周期荷载和非周期荷载的动态响应分析结构参考文献高清冉，姚亚平•机械设计的有限元分析及结构优化J].南方农机,2020,51(21):135-136.吴凯佳，苏小平，王强.工程机械车架结构分析及优化设计J].机械设计与制造,2020(07):51-55.田子合，张金丽.挖掘机工作装置有限元分析[J].装备制造技术，2020(04):78-83.王红梅.缠绕机关键零部件有限元分析及结构优化设计[D].山东建筑大学，2019.郭伟.有限元法在机械设计中的应用[J].科技资讯,2019,17(12):73-74.
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