王蔚

摘 要：有限元是一種現(xiàn)代化的計(jì)算方法，在機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用有限元技術(shù)，可以全面、科學(xué)地分析機(jī)械設(shè)備的動態(tài)和靜態(tài)性能，為機(jī)械設(shè)計(jì)優(yōu)化與改進(jìn)提供便利，降低機(jī)械產(chǎn)品的加工制作成本，提升產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性，縮短設(shè)計(jì)周期。文章分析了有限元技術(shù)的特點(diǎn)，闡述了有限元技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：有限元技術(shù)；機(jī)械設(shè)計(jì)；應(yīng)用

近年來，我國機(jī)械行業(yè)快速發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式越來越復(fù)雜，這對于機(jī)械設(shè)計(jì)提出了更高的要求。有限元技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，簡化復(fù)雜的機(jī)械設(shè)計(jì)，利用有限元技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢，優(yōu)化機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)，確保機(jī)械產(chǎn)品良好的使用性能，延長其使用壽命，不斷提高機(jī)械設(shè)計(jì)水平。

1 有限元技術(shù)特點(diǎn)

有限元技術(shù)具有較強(qiáng)的實(shí)用性和通用性，且有限元軟件系統(tǒng)比較成熟，其應(yīng)用范圍越來越廣泛。同時，有限元軟件系統(tǒng)的計(jì)算能力、后處理和前處理能力較好，在實(shí)際應(yīng)用中，有限元技術(shù)具有以下特點(diǎn)：其一，應(yīng)用功能比較強(qiáng)大，有限元法可以對機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行多場耦合、流程、電磁場、溫度、結(jié)構(gòu)等分析；其二，有限元法可以處理復(fù)合材料、混凝土、陶瓷、木材、橡膠、塑料、巖石、土壤、金屬等多種材料，具有良好的適用性；其三，有限元技術(shù)可以自動化檢查網(wǎng)格求解精度和單元形態(tài)，并且做好數(shù)據(jù)的修正；其四，有限元技術(shù)包含多個和CAD軟件直接相連的接口，在實(shí)際應(yīng)用中節(jié)通用CAD軟件往往和有限元軟件集成使用，通過CAD軟件合理設(shè)計(jì)機(jī)械零件和部件造型，將機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型直接發(fā)送到CAD軟件系統(tǒng)中[1]，合理劃分有限元網(wǎng)格，科學(xué)分析和設(shè)計(jì)，若分析結(jié)果無法滿足機(jī)械設(shè)計(jì)要求，則必須重新進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，直到滿足相關(guān)設(shè)計(jì)要求，有效提高機(jī)械設(shè)計(jì)效率和水平；其五，有限元技術(shù)為機(jī)械設(shè)計(jì)提供完整的開發(fā)環(huán)境，用戶可以結(jié)合具體要求，自動化擴(kuò)充軟設(shè)計(jì)軟件，包括裂紋擴(kuò)展規(guī)律、機(jī)械結(jié)構(gòu)斷裂判據(jù)、自定義流場邊界條件、流體本構(gòu)、熱本構(gòu)、結(jié)構(gòu)本構(gòu)等自定義材料本構(gòu)以及機(jī)械產(chǎn)品自定義單元特性等[2]。

2 有限元技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1 簡化設(shè)計(jì)模型

在機(jī)械設(shè)計(jì)中運(yùn)用有限元技術(shù)，首先要簡化設(shè)計(jì)模型，去掉機(jī)械設(shè)計(jì)過程中一些不影響整體分析結(jié)果的部分，如圓角、倒角等，由于這些部分會影響產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單元格劃分質(zhì)量，并增加難度和計(jì)算量，使機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)果無法收斂。以架橋機(jī)主梁為例，分析架橋機(jī)主梁的形變情況和徑向受載，固定架橋機(jī)主梁構(gòu)件，在架橋機(jī)主梁沒有孔的徑向上增加載荷，加載速度5mm/min，載荷約5000N，由于該架橋機(jī)主梁結(jié)構(gòu)是對稱的，可以只分析1/4截面[3]。

2.1.1 合理劃分單元格

對機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效離散，仔細(xì)分析離散數(shù)據(jù)，查找這些離散數(shù)據(jù)之間的規(guī)律，結(jié)合不同的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型特點(diǎn)，建立各個單元格的數(shù)據(jù)集合，便于在定義機(jī)械設(shè)計(jì)模型和材料特性時，方便地選取不同構(gòu)件和部位。

2.1.2 幾何特性定義

為機(jī)械設(shè)計(jì)產(chǎn)品模型賦予幾何特性，例如機(jī)械產(chǎn)品2-D模型的半徑、厚度等，分析機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)、應(yīng)變和應(yīng)力情況，對于不同的機(jī)械產(chǎn)品模型，其輸入要求也不同，應(yīng)準(zhǔn)確對機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行幾何特性定義。

2.1.3 材料特性定義

按照機(jī)械設(shè)計(jì)要求，分析機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型的材料參數(shù)，對于機(jī)械產(chǎn)品的各向同性材料，準(zhǔn)確定義機(jī)械產(chǎn)品的泊松比和楊氏模量，對于普通的金屬機(jī)械產(chǎn)品，結(jié)合材料的非線形變化，在計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)中輸入機(jī)械材料的壓縮或者拉伸應(yīng)力應(yīng)變，采用科學(xué)合理的擬合方法，得到機(jī)械產(chǎn)品模型系數(shù)。

2.1.4 接觸條件

對機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型，科學(xué)定義不同組成部分的機(jī)械結(jié)構(gòu)接觸狀態(tài)，例如，機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)受理以后，相關(guān)構(gòu)件會發(fā)生一定程度的形變，這是機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)之間的一種接觸，機(jī)械襯套的外襯套和內(nèi)襯套受力形變量比較小。

2.1.5 載荷狀況

對機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型進(jìn)行材料、位移、受力定義，然后定義機(jī)械產(chǎn)品的工況，選擇合適的載荷條件和邊界條件，采用機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型定義收斂方法，按照拉夫森-全牛頓極限收斂準(zhǔn)則，機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)疊加次數(shù)40步，運(yùn)算時間約0.7s[4]。

2.2確定材料性能參數(shù)

該架橋機(jī)主梁結(jié)構(gòu)主要采用Mn16碳素鋼，對機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型的各個構(gòu)件設(shè)置材料常數(shù)，許用應(yīng)力[？滓]max=250MPa，泊松比？姿=0.4，密度？籽=7700kg/m3，碳素鋼Mn16彈性模量為2.3×105MPa。

2.3 選擇單元類型

架橋機(jī)主梁由多個空間梁單元組成，并焊接在一起，對于主梁型鋼結(jié)構(gòu)，抽象為比較理想的剛接或鉸接桿系結(jié)構(gòu)，按照梁單元對架橋機(jī)主梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，簡化結(jié)構(gòu)荷載情況，根據(jù)杠桿原理，處理?xiàng)U件節(jié)點(diǎn)載荷。同時，合理劃分機(jī)械設(shè)計(jì)模型網(wǎng)格，確保機(jī)械設(shè)計(jì)的科學(xué)性和精度，網(wǎng)格數(shù)量對于機(jī)械設(shè)計(jì)規(guī)模和計(jì)算精度有著直接的關(guān)系，機(jī)械設(shè)計(jì)精度隨著網(wǎng)格數(shù)量的增多而不斷提高，但是這樣會增加計(jì)算量，綜合考慮網(wǎng)格數(shù)量和機(jī)械設(shè)計(jì)精度，在確保機(jī)械設(shè)計(jì)精度的基礎(chǔ)上，最大程度地減少網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量[5]。為了適應(yīng)機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算特點(diǎn)，對于梯度變化較大的主梁結(jié)構(gòu)部位，仔細(xì)分析數(shù)據(jù)變化規(guī)律，合理劃分網(wǎng)格，根據(jù)主梁結(jié)構(gòu)的剛度和結(jié)構(gòu)質(zhì)量情況，確定振型和固有頻率。

2.4 載荷處理

在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中應(yīng)用有限元法，主梁結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)主要用于傳遞載荷和力，在架橋機(jī)結(jié)構(gòu)剛度方程中，當(dāng)各個單元有非節(jié)點(diǎn)載荷或者均布載荷時，非節(jié)點(diǎn)載荷轉(zhuǎn)換為應(yīng)力比較集中的等效節(jié)點(diǎn)載荷，移置非節(jié)點(diǎn)載荷，約束非節(jié)點(diǎn)載荷單元結(jié)構(gòu)的位移和變形，結(jié)合材料力學(xué)，計(jì)算支反力，對機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的等效節(jié)點(diǎn)載荷，計(jì)算架橋機(jī)主梁機(jī)械結(jié)構(gòu)的載荷向量，在主梁相關(guān)構(gòu)件或者部位上，主梁外載荷進(jìn)行簡化，基于有限元模型，正確處理主梁結(jié)構(gòu)載荷。

2.5 計(jì)算機(jī)械設(shè)計(jì)工況

分析架橋機(jī)主梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)變、應(yīng)力和靜力，考慮不同工況下架橋機(jī)主梁的剛度和強(qiáng)度，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行情況，當(dāng)架橋機(jī)處于向前延伸的空載階段，吊具和天車重量分配到各個行走車輪上，靜載荷系數(shù)約1.3，架橋機(jī)主梁下弦桿位置的許用應(yīng)力[？滓]=250MPa，最大壓應(yīng)力

158MPa，在機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用有限元技術(shù)進(jìn)行分析，架橋機(jī)主梁結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力，架橋機(jī)主梁結(jié)構(gòu)最大變形量約0.43m，處于架橋機(jī)主梁結(jié)構(gòu)的最前端，確保機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)滿足實(shí)際的架橋機(jī)主梁剛度和強(qiáng)度要求。通過有限元技術(shù)，分析機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)各個單元的輸出結(jié)果，有效提高了機(jī)械設(shè)計(jì)水平。

3 結(jié)束語

在機(jī)械設(shè)計(jì)中運(yùn)用有限元技術(shù)，有限元分析主要是通過模擬機(jī)械產(chǎn)品的載荷和幾何工況，利用相互作用又簡單靈活的單元結(jié)構(gòu)，簡化機(jī)械設(shè)計(jì)流程，科學(xué)構(gòu)建機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型，合理設(shè)定機(jī)械設(shè)計(jì)的各項(xiàng)約束條件，利用這種高效實(shí)用的數(shù)值分析方法，優(yōu)化和改進(jìn)機(jī)械設(shè)計(jì)，使其滿足剛度、強(qiáng)度和應(yīng)力要求。

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