有限元分析技术在冶金机械设计中的应用

2023年 5月上 世界有色金属43机械加工与制造Machining and manufacturing

有限元分析技术在冶金机械设计中的应用

伍伟敏，赵󰀁敏（湖南财经工业职业技术学院智能制造学院，湖南　衡阳　４２１００２）摘 要：伴随近些年我国冶金行业及其相关技术的发展进步，对冶金机械结构设计也提出了更高的要求，将现代设计理论和方法应用在冶金机械设计中，有助于缩短整体设计周期，提高冶金机械性能，从延长使用寿命。有限元分析技术是现代计算机网络技术不断更新的产物，当前冶金机械设计中有限元分析技术也得到了广泛应用并起到了不可或缺的重要作用。基于此，本文首先阐述了有限元分析技术的基本特点和发展趋势，并分析有限元分析技术在机械设计的重要作用，最后探讨有限元分析技术在冶金机械设计中的具体应用。关键词：有限元分析技术；冶金机械设计；应用中图分类号：ＴＦ３０２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２－５０６５（２０２３）０９－００４３－３

Application of finite element analysis technology in metallurgical machinery designWU󰀁Wei-min,󰀁ZHAO󰀁Min（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｈｕｎａｎ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｆｉｎａｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｃｏｎｏｍｉｃｓ，Ｈｅｎｇｙａｎｇ　４２１００２，Ｃｈｉｎａ）Abstract: Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ＇ｓ　ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ　ｉｎｄｕｓｔｒｙ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｒｅｌａｔｅｄ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ｉｎ　ｒｅｃｅｎｔ　ｙｅａｒｓ，　ｈｉｇｈｅｒ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ　ｍａｃｈｉｎｅｒｙ．　Ａｐｐｌｙｉｎｇ　ｍｏｄｅｒｎ　ｄｅｓｉｇｎ　ｔｈｅｏｒｉｅｓ　ａｎｄ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ　ｍａｃｈｉｎｅｒｙ　ｗｉｌｌ　ｈｅｌｐ　ｓｈｏｒｔｅｎ　ｔｈｅ　ｏｖｅｒａｌｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ｃｙｃｌｅ，　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ　ｍａｃｈｉｎｅｒｙ，　ａｎｄ　ｐｒｏｌｏｎｇ　ｔｈｅ　ｓｅｒｖｉｃｅ　ｌｉｆｅ．　Ｔｈｅ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｐｒｏｄｕｃｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｕｐｄａｔｉｎｇ　ｏｆ　ｍｏｄｅｒｎ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．　Ａｔ　ｐｒｅｓｅｎｔ，　ｔｈｅ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ　ｍａｃｈｉｎｅｒｙ　ｄｅｓｉｇｎ　ｈａｓ　ａｌｓｏ　ｂｅｅｎ　ｗｉｄｅｌｙ　ｕｓｅｄ　ａｎｄ　ｐｌａｙｅｄ　ａｎ　ｉｎｄｉｓｐｅｎｓａｂｌｅ　ｒｏｌｅ．　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｉｓ，　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｆｉｒｓｔ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｃ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｔｒｅｎｄ　ｏｆ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｅ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｒｏｌｅ　ｏｆ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｄｅｓｉｇｎ，　ａｎｄ　ｆｉｎａｌｌｙ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ　ｔｈｅ　ｓｐｅｃｉｆｉｃ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ　ｍａｃｈｉｎｅｒｙ　ｄｅｓｉｇｎ．Keywords:　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；　Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ　ｍａｃｈｉｎｅｒｙ　ｄｅｓｉｇｎ；　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ

收稿日期：２０２３－０３基金项目：湖南省教育厅资助科研项目（２１Ｃ０９８２），湖南省自然科学基金资助项目（２０１８ＪＪ５００２）。作者简介：伍伟敏，男，生于１９７６年，汉族，湖南祁东人，学士，副教授，研究方向：数控机床误差补偿技术，

电主轴关键技术及应用等。一直以来，冶金机械设计都是冶炼工业发展过程中国尤为关键的环节之一。对冶炼工序进行规范、科学的设计，充分提取出有色重金属，持续完善设计冶金机械的能力，为冶金行业的发展奠定坚实基础[1]。从以往冶金机械设计来看，面对大量的零件数据常常不可避免的发生偏差，对最终设计结果造成影响，也导致最终设计出来的冶金机械产品准确性不足。通过运用有限元分析技术来对设计冶金机械，能够更好的预防上述情况出现，最大限度保证每一个零件相关数据的精准性，提升冶金机械设计的科学性、合理性，能够加快现实生产中冶金机械的工作效率，确保冶金机械能够更长时间的使用，最大限度控制生态环境受到冶金技术的污染。

1 有限元分析技术介绍1.1 有限元分析技术定义有限元分析技术，其实质也是通过某一种数学近似法，来对真实物理系统进行模拟的过程。借助简单模型、互相联系的元素以及数量固定的未知数，来还原出相应的无线未知的系统。有限元分析方法能够将一个复杂的问题分解为多个简单的小问题，并根据小问题进行相关的推测、解答，来获得对这一未知数进行求解的所需条件，可以向机械设计提供准确性更高的数据，也大幅的提升了机械设计速度[2]。1.2 有限元分析技术主要特征有限元，也是对一系列分散、连续的单元来进行重构。通过有限元分析技术可以实现对最小子域来进行求解。过去，在求解整体定义域的过程中，使用传统求解方法时往往需要完全符合整体定义域有关要求，这也造成求解难度明显更高，并且求解过程中也更容易出现失误[3]。传统求解方式不管是求解子域亦以及整体定义域的过程中，在计算准确度方面都仍不理想。在求解子域时通过使用有限元分析技术，可以获得和真实情况最为接近的数据，在求解各个小单元之后，推测出符合整体定义域的条件，从而明显提升了计算过程的准确性[4]。在设计冶金机械时来使用有限元分析技术，实质也是借助函数求解简单子域，求解过程中对于整体定义域有关要求无需不再关注，极大程度提升了求解过程的便捷性和准确性，这也是和传统求解方法最大的区别所在。

2 有限元分析技术发展趋势2.1 实现软件之间无缝衔接现阶段，将有限元分析软件与CAD制图软件联合应用

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在设计工作中，获得了比较理想的效果。通过CAD制图软件能够对机械设备中零部件进行改造，把改造后数据上传到原本软件模型之中，把设计好的软件模型数据传输到特定软件内，并开展全面、细致的分析、计算，最后获得相应的结果[5]。若最后计算出来的结果和相关标准相符合，则无需进行其他操作，将数据结果上交。若最后计算出来的结果和预先设计的结果还存在较差的差距，则需要反复进行调整重新计算，直到结果和相关标准相符合。当前，通过对有限元分析软件的持续优化，可以良好的解决以往机械设计中的软件应用问题。通过将CAD制图软件和有限元分析技术相结合，能够实现两者的无缝衔接，从而更快速、精准的传输数据。2.2 构建最新网格处理技术在使用有限元分析技术对问题进行处理之时，常常也会出现其他各类各样的问题。处理内容一般涵盖了离散化的分析对象、有限元简单求解以及结果分析等[6]。通常，网格质量直接关乎到离散化的分析数据。在进行数据分析时，目前许多的软件都难以满足相关需求，仅有极少数的软件可以达到相关的要求。由此可见，若想实现网格处理能力的提升，则需要重新将网络进行自动化的分割，并将其重新构建起来。2.3 大面积的进行程序开放伴随现代科学技术的持续发展更新，许多企业致力于自身在市场中的规模扩张，紧紧跟随市场发展趋势，最大限度用户的实际需求，深入研究软件相关功能，从而达到提升企业经济效益的目的[7]。然而从实际情况来看，将所研究开发的软件应用在现实环境中，还是无法全部满足用户实际要求，这也使得企业还需要对软件进行深层次的扩张、开放。2.4 不断提高求解问题的难度在社会快速发展的背景之下，现有的线性理论求解已难以满足大多数工业生产的要求。在线性理论的实际应用中，也催生出了材料浪费、资源破坏等许多难以解决的问题。对于使用线性理论来解决的问题通常也比较简单，而在面对表复杂的问题时，也应该使用非线性理论来解决问题[8]。非线性理论一般难度较大，在使用应用中也面临着更大的困难，求解过程复杂性较高。所以，这就需要采取比较特殊的方式来对非线性问题进行求解。

3 有限元分析技术在机械设计中的重要作用现阶段，有限元分析技术在机械设计流程中得到广泛应用，已经渗透到了相关系统以及部件的设计流程由于当前市场中的竞争空前激烈，只有充分体现出产品自身质量、生产成本、市场营销时间等核心竞争优势，才能够在激烈的市场竞争中占据一席之地。有限元分析技术应用在机械设计中，其优势主要体现在以下几个方面。（1）首先，有助于减少生产时间。由于计算机是机械设备进行建模、造型的等操作主要载体，因此通过在计算机上来优化数据、对计算机模型进行完善，能够缩短模型的生产时间，也延长使用寿命[9]。（2）其次，控制整体投资成本。因为有限元分析技术是建立在计算机的基础上而运行的，这一特点也有助于减少企业在有限元分析技术应用方面的成本支出。（3）最后，促进产品质量的提升。有限元分析技术本身就属于一种先进技术，将其应用在机械设计中，能够相关流程进行优化完善，将会明显提升产品的整体质量。

4 有限元分析技术在冶金机械设计中的具体应用4.1 模型简化处理有限元分析技术主要是基于计算机模型分析之上而构建起来，只要进行良好的处理计算机模型，也能够提高有限元分析技术的应用效果。冶金机械设计的模型结构具有较高的复杂性，一般要求从静态以及动态不同的维度开展分析[10]。对于模型的简化处理，应该要先对这一问题的性质有着准确的判断，明确其是属于线性结构亦或者非线性结构，是属于动力学问题亦或者静力学问题。再通过深入分析之后，在选择相应的方法做出有效的处理，最后获得准确的结果。以动力分析这一过程为例，一般在求解时不应该选择振型叠加法或者周期载荷的富力埃及数展开方式。同时在面对某一个变化或者某一关系式与时间存在密切联系时，应该结合动力问题来求解。通常而言，冶金机械设计的结构都相对比较复杂，在设计时也应该首先全面的分析其结构特征，需要细化到结构中的每一个细微部分，选择相应的、合适的方式完成简化处理，并开展正确的计算[11]。一定要避免盲目的简化，例如将弯曲的板使用无法良好抗弯的膜进行代替，将梁使用杆来代替，或者将轴对称球体使用三维立体的块状物来比喻，此类问题都容易导致模型计算结果出现差错，在对结构进行简化时，需要充分遵循力学概念完成相关简化工作，操作人员也需要充分熟悉了解力学概念中关于杆、板、三维图形等有关问题。同时，还应该掌握上述在实际应用中的限制条件，提高模型简化时的准确性，也保证后续模型计算的成果。现阶段，从静力分析模型发展情况来看，相关技术也有着较大的进步，例如带式烧结机新型星轮有限元分析、关于烧结混料机的有限元分析和后续寿命研究、烧结机台车卡伦轴承有限缘分析等。4.2 结构解体规模逐渐缩小冶金机械设计一般归属于比较大型的工程之中，在此类