有限元在机械领域的应用

有限元在机械领域的应用有限元法是随着计算机技术的应用而发展起来的一种先进的技术，广泛应用于各个领域中的科学计算、设计、分析中，成功的解决了许多复杂的设计和分析问题，己成为工程设计和分析中的重要工具。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，有限元法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，有限元法在机电工程中的应用也越来越重要。CAE及有限元法的发晨历史和应用现状现在，由于有限元法等CAE技术的应用．实物样机试验的次数和规模已大大地降低。小到手机。大到汽车、飞机等等产品的研制，有限元法都得到了广泛的应用。由有限元法等CAE技术完全取代样机试验已成为可能，其中最著名的例子就是新型核武器的计算机模拟试验。有限元法的基本思想是由数学家R．Courant在1943年提出的，他第一次尝试应用定义在三角形区域的分片连续函数和最小势能原理相结合．来求解st．Venant扭转问题。但因为计算条件的制约，这种方法在当时没有得到足够的重视。而最早的成功应用t是在1956年，M．j．1删r和R．w．clou曲等人在分析飞机结构时，用有限元法第一次得出了平面应力问题的正确解答。有限元这个术语的提出以及有限元法的普及、完善和广泛应用，却是在1960年以后。到了20世纪80年代初期+国际上较大型的面向工程的有限元通用软件已达几百种，其中著名的有：ANSYS、NASTRAN、ASKA、ADINA、SAP等。这些有限元软件不断跟随计算方法和计算机技术的发展．将有限元分析与计算机图形学、优化设计等技术相结合．已成为解决工程问题的必不可少的有力工具。有限元法最初应用在求解结构的平面问题，发展至今已由二维问题扩展到三维问题、板壳问题．由静力学阔题扩展到动力学问题、稳定性问题．由结构力学扩展到流体力学、电磷学、传热学等学科，由线性问题扩展到非线性闽题，由弹性材料扩展到弹塑性、塑性、粘弹性、粘塑性和复台材料，从航空技术领域扩展到航天、土木建筑、机械制造、水利工程、造船，电子技术及原子能等，由单一物理场的求解扩展到多物理场的耦台，其应用的深度和广度都得到了极大的拓展。由于机械产品的设计制造和试验有以下的特点一般的机械产品批量比较大可以在运行过程中不断改进并积累经验一些机械产品的样机试验相对成本较低而且比计算机模拟试验更可靠在实际中多数机械产品及其零件都是根据现有同类产品及零件进行改进或近似性设计其性能可参考现有产品和零件的性能得出所以有限元法在机械工程中的应用相对要少一些一般情况下只是对产品中的关键件重要件或一些特殊零件进行有限元分析但是随着市场竞争的日趋激烈随着经济社会和环境效益要求的提高今天的机械产品设计已离不开有限元技术的支持。目前有限元法在机械工程上的应用主要有以下几个方面：1.静力学分析这是对二维或三维的机械结构承载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当作用在结构上的载荷不随时间变化或随时何的变化十分缓慢应进行静力学分析.2.模态分析这是动力学分析的一种用于研究结构的固有频率和自振型式等振动特性进行这种分析时所施加的载荷只能是位移载荷和预应力载荷。3.谐响应分析和瞬态动力学分析这两类分析也属动力学分析用于研究结构对周期载荷和非周期载荷的动态响应。4.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。5.接触分析这是一种状态非线性分析用于分析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但是以前受计算能力的制约接触分析应用的较少。6.屈曲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。工程人员进行有限元分析时多数情况是采用通用的商业有限元软件自行开发者是极少数因此商业有限元软件的好坏对有限元法的应用至关重要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性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由单一零件的模拟向整机的模拟方向发展。2.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。3.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。4.加强与设计制造过程的集成和数据转换向与无缝化集成的方向发展即在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。5.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。目前，有限元法在机电工程上的应用主要有以下几个方面：1.静力学分析。这是对二维或三维的机械结构承载后的应力、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。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；2.模态分析。这是动力学分析的一种，用于研究结构的固有频率和自振型式等振动特性。进行这种分析时所施加的载荷只能是位移载荷和预应力载荷；3.谐响应分析和瞬态动力学分析。这两类分析也属动力学分析，用于研究结构对周期载荷和非周期载荷的动态响应；4.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；5.接触分析。这是一种状态非线性分析，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。但是，以前受计算能力的制约，接触分析应用的较少；6.屈曲分析。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；7.电磁场的分析。电磁场的强弱大小和分布规律，不仅直接影响到各种电器设备的参数、特性和效率，同时还影响到这些设备的发热状况、应力分布和使用寿命。例如在电机中，电流会使绕组发热，涡流损耗和磁滞损耗会使铁芯发热。温度分布不均造成的局部过热，会危及电机的绝缘和安全运行；在瞬态过程中，巨大的电磁力有可能损坏电机的端部绕组。为了准确的预测并防止这些不良现象的产生，都需要进行电磁场的计算。有限元法正是计算电磁场的一种有力工具，它把昔日一些只能粗糙估计的问题提高到可以精确分析的高度，从而为制造部门设计出结构合理、运行可靠、价格低廉的新型电工产品，解决了不少技术难题。在工程电磁场的问题中，还时常遇到交变电磁场，例如所有由交流电供电的电气设备，它们产生的电磁场都是交变电磁场。在交变电磁场中，随时间变化的磁场将激发电场，随时间变化的电场又将激发磁场。这时电场与磁场交织在一起，因此需要将电磁场作为一个整体加以分析。这时场源以及由它所激发的电磁场不仅随空间坐标变化，同时还随时间变化。在电工技术中，场源及电磁场常常随时间按正弦规律变化，因此可以将他们用复数矢量的形式表示。有限元法是一种强有力的数值计算方法，除了在计算平面与轴对称，线性与非线性，稳定与交变电磁场之外，还可以计算一些更深入的电磁场问题。例如空间维电磁场的计算，各相异性媒质中的电磁场计算等等。有限元法一直处于不断发展和探索之中应用有限元法，到了提高企业的设计效率优化设计方案缩短产品开发周期等等作用越来越多的企业和技术人员意识到有限元技术巨大的生产力并在开发产品的过程中自觉地采用这项技术而且取得了较好的效果可以预见在不久的将来有限元法的应用必将有更大的突破。