冶金机械设计中有限元分析技术的应用

３５４　轮胎工业　２０１０年第３０卷　

有限元分析在巨型全钢工程机械子午线轮胎　

成型机设计中的应用　

谢化顺　（双钱集团股份有限公司，上海２００００２）　

摘要：对巨型全钢工程机械子午线轮胎成型机的成型鼓等关键零部件建立有限元模型并进行有限元分析。根据　分析结果对成型机结构进行相应修改和优化。主成型装置、胎体贴合装置和带束贴合装置的主轴、内轴、外轴套、箱体　等部位结构及尺寸修改后，重新计算结果表明，修改后主成型装置变形量约为２０　ｍｍ、胎体贴合装置变形量不大于１Ｏ　ｍｍ，结构强度及结构变形能够满足设计要求。　关键词：巨型工程机械子午线轮胎；成型机；有限元；优化　中图分类号：ＴＱ３３Ｏ．４＋６　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００６—８１７１（２０１０）０６—０３５４—０７　

随着世界各国对煤炭、铜、铁等资源需求的迅　

速增长，快速地推动了挖掘设备及重型运输车市　

场的增长。　

近几年，随着我国国内经济的快速发展，南水　

北调工程、西气东输工程和大型矿山桥梁建设等　

项目均需进口大型特殊施工车辆。所有这些无疑　

推动了重型工程机械车辆市场的快速增长，与之　

配套的巨型全钢工程机械子午线轮胎（以下简称　

巨胎）仅有少数几家国外轮胎公司能够生产，给我　

国巨胎的发展和研制带来了机遇和挑战。　

巨胎与一般的工程机械轮胎在性能、技术、制　

作工艺和生产设备上有着巨大的差异。巨胎直径　

达４　ｍ以上，断面宽１．５　ｍ，单胎质量５　ｔ，单胎载　

质量１００　ｔ，最高速度５０　ｋｍ・ｈ～　，能够承受高温　

５Ｏ℃和低温一２ｏ℃的工作环境，具有节能、耐　

磨、抗切割、抗刺扎和承载能力强等特点。　

巨胎的生产技术和生产装备，国外对我国均　

进行长期技术封锁和垄断，要生产巨胎，产品结构　

设计、配方设计、工艺流程以及成套生产设备必须　

全面创新研制，难度很大。双钱集团股份有限公　

司１０年前启动了轮辋直径为８８９　ｍｍ（３５英寸）　

以下的全钢工程机械子午线轮胎的研究，形成了　

机械设计基础机械设计中的CAE分析方法

机械设计是工程领域中非常重要的一项任务，它涉及到各种机械设备的设计和制造。而在现代机械设计中，CAE（计算机辅助工程）分析方法的应用越来越广泛，为设计师提供了强大的工具和技术支持。本文将介绍机械设计中常用的CAE分析方法，以及它们在设计过程中的应用。

一、有限元分析（Finite Element Analysis，简称FEA）

有限元分析是机械设计中最常用的CAE分析方法之一。它通过将实际的结构分割成有限数量的小元素，然后利用数值计算方法求解每个小元素的应力、变形等物理量。这样可以在较小的计算范围内，准确预测结构的力学性能。

在机械设计中，有限元分析广泛应用于刚度、强度、稳定性、疲劳寿命等方面的评估。设计师可以通过有限元分析来验证设计方案的可行性，确定合适的材料和尺寸，并最终优化设计方案。

二、计算流体力学分析（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）

计算流体力学分析是机械设计中另一个重要的CAE分析方法。它用数值方法解决流体力学方程，对液态、气态流体的流动、传热、传质等进行模拟和计算。

在机械设计中，计算流体力学分析常用于气动性能、液压性能、热传导等方面的研究。通过CFD分析，设计师可以预测流体在机械设备中的流动状态和传热效果，为设计方案的改进提供重要的参考。 三、多体动力学分析（Multibody Dynamics Analysis，简称MDA）

多体动力学分析是机械设计中用于研究刚体与刚体之间相对运动的CAE分析方法。它将机械系统视为由多个刚体组成的多体系统，通过求解动力学方程，计算系统中刚体的位移、速度、加速度等运动参数。

在机械设计中，多体动力学分析广泛应用于机构设计、机械振动、运动机理等方面的研究。通过MDA分析，设计师可以了解机械系统的运动规律和力学性能，优化机构设计，提高系统的工作效率和稳定性。

四、耦合分析（Coupled Analysis）

应用技术　Ｉ　ＩＮ－＇　Ｃｈｉｎａ　ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｒｅｖｉｅｗ　浅谈有限元法在机械工程中的应用　翟玉靖白鹤　（河北远东通信系统工程有限公司河北远东通信系统工程有限公司）　［摘要］有限元法是一种高效能、常用的计算方法　有限元法在早期是以变分原理为基础发展起来的，随着计算机技术的广泛应用，有限元法已经发展成为　一种先进的ＣＡＥ技术，广泛应用于各个工程领域，解决复杂的设计和分析问题，已成为工程设计和分析中的重要工具。本文在有限元法基本原理的基础上，介绍　了有限元技术的发展概况、发展趋势及在机械工程中的应用情况。　［关键词］有限元法机械工程应用发展趋势　中图分类号：ＴＤ５２５　文献标识码：Ａ　文章编号：１００９－９１４ｘ（２Ｏｌ４）１Ｏ—Ｏ２６０一Ｏｌ　引畜　有限单元法最早可上溯Ｎ２０世纪４０ｄｇ代。Ｃｏｕｒａｎｔ第一次应用定义在三角　区域上的分片连续函数和最小位能原理来求解Ｓｔ．Ｖｅｎａｎｔ扭转问题。现代有限　单元法的第一个成功的尝试是在１９５６年，Ｔｕｒｎｅｒ、Ｃｌｏｕｇｈ等人在分析飞机结构　时，将钢架位移法推广应用于弹性力学平面问题，给出了用三角形单元求得平　面应力问题的正确答案。１９６０￣，Ｃｌｏｕｇｈ￣－－步处理了平面弹性问题，并第一　次提出了”有限单元法”，使人们认识到它的功效。　随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析　计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用　高效的数值分析方法，有限元在产品设计和研制中所显示出的无可伦比的优越　性，使其成为企业在市场竞争中制胜的一个重要工具。　１有限元法的基本思想　有限元的核　ｔｌ，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。　有限元法分析的基本步骤如下：　（１）物体离散化　将分析的对象离散为有限个单元，单元的数量根据需要　和计算精度而定。一般情况下，单元划分越细则描述变矽隋况越精确，越接近实　际变形，但计算量越大。　（２）单元特性分析。首先进行位移模式选择。有限元法通常采用位移法，　因此应先选择合理的位移模式（位移函数）。然后分析单元的力学性质。根据单　元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义　找出单元节点力和节点位　移的关系式，亦即导出单元刚度矩阵，这是分析中的关键一步。最后计算等效节　点力。将单元边界上的表面力、体积力或集中力等效地转移到节点上，也就是用　等效的节点力来代替所有作用在单元上的力。　（３）单元组集　利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的　结构重新联结起来，形成整体刚度矩阵。　（４）求解未知节点位移。解有限元方程求出节点位移，然后根据节点位　移求出所有的未知量。　归根到底，有限元法是求解常、偏微分方程的一种方法。理论上讲，凡能够　归纳为求解微分方程的工程问题都可以用有限元法来解决。因此有限元法可以　进行结构、热、电磁、流体、声学等分析。　有限元法与其它常规力学方法相比，具有许多优越性：　①可以分析形状十分复杂的、非均质的各种实际的工程结构；②可以在计　算中模拟各种复杂的材料本构关系、荷载和条件；③可以进行结构的动力分析；　④由于前处理和后处理技术的发展，可以进行大量方案的比较分析，并迅速用　图形表示计算结果，从而有利于对工程方案进行优化。　２有限元软件的发展概况　有限元法经过近５０年的发展，不仅理论日趋完善，而且已经开发出了一　批通用和专用的有限元软件，这就为有限元法的普及提供了基础，使它成为结　构分析中最为成功和最为广泛的分析方法　目前已经使用这些软件成功地解决　了众多领域的大型科学和工程计算问题，取得了巨大的经济和社会效益。　目前，大型的商业有限元软件有很多，它们基本上均具有较好的前处理、后　处理和计算能力。已经可以满足众多产品开发的基本要求，然而在提高模拟的　真实性和使用的适应眭方面却不同程度地存在着不足。由于计算机技术的发展　和新的工程要求的提出，这种挑战更加迫切。为了应付这些挑战，未来地有限元　软件的发展将具有以下特点：　（１）由单一物理场的研究向多物理场综合模拟以及相互作用模拟的方向　发展。例如当气流流过１个很高的铁塔，铁塔会发生变形，塔的变形又反过来影　响到气流的流动，这就需要用到结构——流体祸合分析。　（２）由单一零件的模拟向整机的模拟方向发展。　（３）进一步提高非线性问题的求解能力。材料科学的不断发展，研究出了　很多性质特殊的新材料，现有的非线性求解器需要进一步完善其功能。　２６０　ｌ科技博览　（４）在有限元分析功能不断完善的基础上，向与优化设计、可靠性分析和　其它综合评估功能结合的方向发展。　（５）加强与设计制造过程的集成和数据转换，向与ＣＡＤ／ＣＡＭ无缝化　集成的方向发展。即在ＣＡＤ软件上完成产品的造型设计，自动生成有限元网格　并进行计算，如果分析的结果不符合设计要求则重新进行设计和造型。　（６）向智能化、本地化、方便的二次开发性、友好化方向发展，进一步加强　前处理的可视化能力和后处理数据输出功能，以便减少使用者花费在数据准备　和结果处理上的时间。　３有限元法在机械工程中的应用　近年来，国内外许多学者对机械零部件的有限元分析进行了大量的研究，　归纳起来主要是以下几个方面：　ａ．静力学分析。当作用在结构上的载荷不随时间变化或随时间的变化十　分缓慢，应进行静力学分析。这是对机械结构受力后的应力、应变和变形的分　析，是有限元法在机械工程中最基本、最常用的分析类型。ｂ．动力学分析。机械　零部件在工作时不仅受到静载荷作用，当外界有与其固有频率相近的激励时，　还会引起共振，严重破坏结构从而引起失效。故零部件在结构设计时，对复杂结　构，在满足静态刚度要求条件下，要检验动态刚度。ｃ．热应力分析。这类分析用　于研究结构的工作温度不等于安装温度时或工作时结构内部存在温度分布时，　结构内部的温度应力。ｄ．接触分析。接触分析用于分析两个结构物发生接触时　的接触面状态、法向力等。由于机械结构中结构与结构间力的传递均是通过接　触来实现的，所以有限元法在机械结构中的应用很多都是接触分析。这是一种　非线　分析，以前受计算能力的制约，接触分析应用的较少。ｅ．屈啦分析　这是　一种几何非线性分析，用于确定结构开始变得不稳定时的临界载荷和屈曲模态　形状，例如压杆稳定性问题。　４有限元技术发展趋势　有限元法最早是从结构化矩阵分析发展而来，逐步推广到板、壳和实体等　连续体固体力学分析，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。所以近年来有限元方法已发展到流体力学、温度场、电传导、磁场、　渗流和声场等问题的求解计算，最近又发展到求解几个交叉学科的问题。　有限元法的发展过程是与计算机技术的发展紧密相联的。只有计算机技术　高度发展以后，有限元法才得到广泛的应用。一个复杂的问题的求解，过去用小　型机花费几天才能得到结果，现在用ＰＣ机几个小时就能完成同样的工作。商业　有限元软件也由只能在大中型计算机上使用，转入到多数都能在Ｐｃ平台上运　行。可以预期，随着计算机技术的进一步发展，有限元法的应用还将进一步扩　大，并将成为工程技术中更重要、更有力的数值计算工具。　５结柬语　有限元法一直处于不断发展和探索之中。从自行车到航天飞机，所有的设　计制造都离不开有限元分析计算，有限元法在工程设计和分析中将得到越来越　广泛的重视。用有限元法进行设计方案的修改和调整，使产品达到性能和质量　上的最优，原材料消耗最低　因此，基于计算机的分析、优化和仿真的ＣＡＥ技术　的研究和应用，是高质量、高水平、低成本产品设计与开发的保证。有限元法也　必将在科技发展史上大放异彩。　参考文献　［１】王成煮．现代机械设计——思想与方法［Ｍ】．上海：上海科学技术文献　出版社，１９９９　［２】２赵松年，佟杰新，卢秀春．现代设计方法［Ｍ】．北京：机械工业出版社，　ｌ９９６．　［３】孙海霞，戴京涛，姜伟，唐仁刚．有限元法在机械工程中的应用与发展．　科技创新导报．２００１

机械设计中的力学分析方法

在机械设计领域，力学分析方法是一种重要的工具和技术，用于评估和预测机械系统的性能、耐久性和可靠性。通过力学分析，工程师可以更好地理解机械系统的力学行为，优化设计，并确保产品的安全运行。本文将介绍机械设计中几种常用的力学分析方法。

一、静力学分析

静力学分析是机械设计中最基本的分析方法之一。它主要用于研究静态平衡条件下机械系统的力学行为。在静力学分析中，工程师通过分析物体受力平衡的原理，计算系统中各个部件的力及其分布情况。这对于确定机械系统的强度、稳定性和结构设计至关重要。

静力学分析通常需要考虑以下几个关键因素：

1. 受力分析：确定各个部件受力情况，包括内力和外力的作用。

2. 应力分析：计算部件所受到的应力大小，以确定其强度是否满足设计要求。

3. 变形分析：评估部件在受力下的变形情况，以确定系统的稳定性和结构设计是否合理。

二、动力学分析

动力学分析是研究机械系统在动态载荷下的力学行为。与静力学分析不同，动力学分析考虑了物体在运动过程中的力学特性，如加速度、速度和位移。动力学分析对于评估机械系统的可靠性和振动特性至关重要。

在进行动力学分析时，工程师通常需要注意以下几个方面：

1. 运动学分析：分析物体在运动过程中的加速度、速度和位移等物理量，可通过微分方程求解。

2. 动力分析：计算物体所受到的各种动力（如惯性力、惯性矩等），以决定系统的动态响应。

3. 振动分析：评估机械系统在运动中的振动特性，包括共振频率、振动幅度等。

三、有限元分析

有限元分析是一种基于数值计算的力学分析方法，广泛应用于机械设计领域。它通过将连续介质分割为有限数量的小单元，利用数值计算方法求解每个小单元的力学方程，从而得到整个系统的力学行为。有限元分析可以用来研究机械系统的强度、刚度、模态等性能指标。

有限元分析的过程通常包括以下几个步骤：

1. 离散化：将连续介质离散为有限数量的小单元，如三角形单元、四边形单元等。