有限元法在机械设计中的应用

浅析有限元法及其在现代机械工程中的应用　

陈如伟　

（广州海特天高信息系统工程有限公司）　

摘要：有限元法开始时候的运用并不是很广泛，随着现在网络的迅速发展，有限元素运用的范围越来越广，在各个领域的计算，　

设计中都有它的身影，都离不开它的帮助。现在是追求经济的社会，工程的利益相当的重要，在有限元法的帮助下，不仅能使企业有更　

高的收益，而且能使其在同行中出类拔萃，这是所有企业的一致目标。本文重点：①简单介绍有限元法的基本概念，以及其在运用过程　

中的思路，它的一些优缺点，理论最终都要付诸于实践；②讲讲这个技术是如何运用到机械工程中，以及有了它的帮助工程享有了哪　

些便利。　

关键词：有限元法；运用步骤；应用　

中图分类号：ＴＨ１２２　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００４—７３４４（２０１３）１４—０３３７—０２　

１有限元法的基本概念　

有限元法就是把一个复杂的问题分成很多个简单的小问题，对应的　

把复杂问题的定义域划分为很多个小的定义域，在每个小的定义域内去　

解决对应的小问题，然后每个小问题会得到一个近似的解，得到的是近　

似解的原因是由于划分的小问题都是把问题简单化了，所以得到的是一　

个近似的值，然后把这些近似值结合起来然后再根据这个解去求出总的　

问题的解。　

２有限元法的运用的具体步骤　

（１）物体离散化，将一个工程划分为各个小部分，在划分为各个小部　

分之后，找出每两个部分的节点，用节点将其连接起来，然而寻找节点并　

不简单，要寻找节点就要根据具体的问题，来分析怎样设置节点，所选的　

节点需要什么样的特性，以及所需的个数。一般得到的结果是一个近似　

值，不是准确值，但是如果你划分的单元非常的详细，那么你得到的近似　

值就会越接近真实值，但是所需要的计算量就大得多。正是因为如此，你　

研究计算时的事物就不是刚开始的那一个整体了，而是整体的一部分。　

这就是所谓的物体离散化。　

（２）单元特性分析，单元特性分析包括三个部分，首先是要确定用什　

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）

基于ANSYS的有限元分析在机械结构上的应用

引言：

机械结构的设计和分析是现代工程领域中非常重要的一环。为了确保机械结构的安全性、可靠性和性能优化，传统的试错方法已经远远不够高效。基于ANSYS的有限元分析技术则成为一种强大、可靠的工具，广泛应用于机械结构的设计、分析与优化。本文将介绍基于ANSYS的有限元分析在机械结构上的应用，并探讨其优点和局限性。

1. 有限元分析的原理和基本步骤

有限元分析是一种数值分析方法，将连续体划分为有限个单元，通过建立节点间的力学方程并求解，得出结构在不同载荷下的应力、位移等结果。基本步骤包括几何建模、网格划分、材料属性定义、边界条件设置和求解结果分析等。

2. 实例：静力学分析

以机械零件的静力学分析为例，利用ANSYS进行分析。首先，进行几何建模，包括绘制零件的实体模型和确定边界条件。接下来，通过网格划分将实体划分为单元，选择适当的单元类型和单元尺寸以保证计算精度。然后，为每个单元分配适当的材料属性，包括弹性模量、泊松比等。在设定边界条件时，要考虑结构的实际工作状况，如约束支撑和作用力的施加。最后，进行静力学分析并分析结果，得出结构的应力分布和变形情况。

3. 动力学分析与振动模态

有限元分析在机械结构的动力学分析中也有广泛应用。动力学分析主要研究结构在外部激励下的振动响应。通过ANSYS的有限元分析，可以预测结构的固有频率、模态形状和振动响应等。这对于设计抗震性能优良的建筑物、减振器的设计等方面有着重要意义。

4. 热力学分析与热应力

热力学分析是机械结构设计中的另一个重要领域。通过ANSYS的有限元分析，可以模拟结构在热荷载作用下的温度分布和热应力。这对于机械结构的材料选择、冷却系统设计等方面有着重要意义。

5. 优点与局限性

基于ANSYS的有限元分析技术具有以下优点：

- 高度准确性：有限元分析可以提供全面而准确的结果，能够实现对结构不同部分的局部分析。