有限元法在機械設計中的應用
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摘 要：近年來，有限元法憑借其獨特的優勢取得了迅猛的發展，而在機械設計當中，同樣也有該種方法的運用。而基于此，該文中則先對有限元法進行了概述，主要包括其具體概念的說明，以及相應優勢的分析和其未來應用發展的分析。
關鍵詞：有限元法 模型簡化 劃分
中圖分類號：F407.4 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）04（c）-0073-02
在機械設計當中，具體應用有限元法之時，其應用過程可以大致劃分為四個階段。分別是簡化階段、劃分階段、定義階段以及運行階段，而其中在定義階段又具體涉及到了許多方面的定義，包括幾何特征，相應的材料等等多個方面。另外最后的運行階段更多的則是指數據輸入之后得出結果的階段。有關于運行階段的部分，所以該文中在介紹有限元法在機械設計中的應用之時，則主要是對其簡化階段，劃分階段以及部分方面的定義進行了分析。
1 有限元法概述
1.1 有限元法概念說明
首先單就有限元法這一單純的概念來說，其發展的時間相較于其他概念而言還十分短暫，尚且不足100年，但是其發展態勢卻極為迅猛，目前已經涉及了多個學科領域，并且都取得了不錯的應用效果。而這一概念也并非是憑空出現的，它的出現是建立在剛架位移法的基礎上的，在保留了這一方法的基本思路的同時，又對其加以拓展，于是便形成了所謂的有限元法。而這一方法，排除過于枯燥的部分，我們也可以將之簡單地理解為，這種方法便是對一個連續體進行不斷的劃分，我們將之所劃分出的具體部位稱之單元，而這多以三角形或是矩形為主，并且其具體的劃分次數與最后的結果緊密相關，劃分的越多，相應的結果也就更為精確。而在經歷過這種劃分之后，其整個的連續體在某種意義上就不再是一個完整獨立，不可分割的個體，而是由眾多細小的單元共同構成的一個整體。而在這其中，則隱藏了許多種類的位移函數。而有限元法下一步要做的就是建立相應的單元剛度方程，來近似的表現其中所蘊含的各種規律，這也就是有限元法的簡單概念。而就該種方法的具體應用來說，其更多的是以軟件的形式所表現出來的，通過相應的軟件來使該種方法真實的應用在各個領域之中，使其價值得以真正的展現，而這則有賴于計算機技術的發展。所以嚴格來說，在某種意義上，該種方法在應用之時是具有的綜合性的，并不是單一的有限元法的應用。
1.2 有限元法優勢分析
有限元法具有諸多應用優勢，首先其具體的應用領域限制較少，而這則主要是指其應用范圍廣泛，具有跨領域性，不單單是在機械設計當中，在一些其他領域內，比如說生物或者是物理領域等都有較為廣泛的應用。其次有限元法還具有可實現的應用價值。有限元法的原理雖然看似較為簡單，具有一定的可行性，但是其中卻蘊含著大量的數據的計算，這不是能夠依靠人力便可完成的。但卻也由于計算機技術的發展，正解決了這一問題，計算機代替了手工的計算，能夠支撐起該方法中所涉及到的龐大的計算量，所以也就使得有限元法的這一缺陷得以被彌補，使其能夠真正的出現在現實的各個領域當中，所以才稱其具有可實現的應用價值，這也是其所具有的，能夠真正促進其迅猛發展的不可忽視的優勢之一。
1.3 有限元法應用發展分析
在未來，有限元法將具有十分廣闊的發展前景。而在其具體的應用當中，首先毫無疑問的一點是，相應軟件的運行在將來必將會得到進一步的開發，并且其效率也會得到進一步的提升，相應的計算工作得到突破性的優化，使其整體的應用效率得以提升。其次其未來發展也將更加的趨向于綜合性的發展，更多的與新興的技術相互融合，更為智能，更能夠貼合現實的應用狀況，得出更為準確的結果。最后未來有限元法的應用領域必將會得到進一步的擴展，不單單的局限于其目前所涉及到的應用領域之內，其具體的覆蓋性與跨度都將會得到進一步的拓展。
2 有限元法在機械設計中的應用研究
2.1 模型簡化
模型的簡化階段是整個有限元法運行流程當中的第一個部分，而所謂的模型簡化，其實簡單的來理解，也就是需要對相應的整體中的多余部分進行去除，留下有用的數據，以便于后續的操作。而在具體的進行簡化之時，則不能夠盲目的進行修剪丟棄，而必須要依據現實的情況，分析其中所存有的多個數據，進而對無用的數據進行剔除，而對那些明顯有著重要作用的數據，則必須要對其予以保留，而進行簡化的最終目的則是為了便于后續的計算，否則留有許多無用的數據存在于整體模型當中，將會為后續的計算工作帶來極大的困擾，所以合理有效的簡化，就能夠在保證最終結果不出現偏差的情況之下。極大地方便后續的計算工作。而在這里必須要強調的一點就是在進行具體的簡化過程當中，必須要對數據進行具體的分析來進行簡化，而不能盲目的進行。在進行相應簡化操作這時，不能完全的依照于相應的模型本身，也必須要了解最終的設計目的，進而來對其中的某些數據進行舍棄。而哪怕是構成相似的模型，但由于其最終設計目的的不同，在進行模型簡化之時，其所要舍棄的數據相應的也會有所差異，所以則必須要進行詳細細致的分析。模型的簡化對后續的計算工作有著十分重要的作用，不可忽視。
2.2 模型劃分
在進行模型劃分之時，其中所涉及到的具體要點較少，主要只有兩點，一是必須要依據具體的模型狀況，根據其具體的形態來進行合理劃分，一切以現實模型為主。其二則是在劃分之時要注意其劃分的次數情況，要盡可能的進行細致的劃分，因為在有限元法的應用當中，其最終劃分的單元的數目與其細致程度是與最后的結果有著十分密切的關系的。簡單來說劃分的越細，結果越精確，所以這一點也是在劃分之時要注意的。
2.3 幾何及材料特性定義
幾何以及材料特征是兩個不同的定義類型，首先就幾何特征來說，這則主要是要依據具體的數據要求來對相應的模型輸入相應數據，以使其擁有某種類型的幾何特征。而在具體的進行輸入之時也同樣不可盲目輸入，對于不同的模型來說都有著不同的輸入要求，必須要求設計者仔細地對其進行辨別，進而有針對性地進行輸入。其次所謂材料特性的定義則主要是指對于整體模型當中的各個構成部分來賦予相應的材料參數。而在這里值得一提的是，并非所有的定義方式都是相同的，尤其是對于那些非線性變比的材料來說，則必須要考慮到其所發生的各類變化情況，做好擬合計算，之后才可進行定義。
2.4 接觸及載荷定義
通過前文對于幾何以及材料特性定義的描述，相信大家已經能夠理解所謂的定義，簡單理解其實也就是對模型的某個部位或是某個方面賦予相應的數值，以體現某些性質，而所謂的接觸定義以及載荷定義，其實也無非就是對其相應的接觸情況和載荷情況來進行相應的賦值，使其具有相應性質，以模擬現實狀況。而其具體的定義條線，則需要以具體的接觸情況為依據來進行確定，另外前文中所提及到材料性質的定義就是進行接觸定義當中不可或缺的一個前提條件。也只有充分的了解了各個方面的具體情況，與現實情況進行對比模擬，充分地考慮到其具體的應用狀況之后，才能真正的做好接觸以及載荷方面的定義。
3 結語
在機械設計當中，有限元法的應用為其帶來了極大的便利性，有效地降低了成本，提高了設計質量。但不可否認的是，目前此方面的應用還不夠完善，但相信這只是暫時的情況，在未來，有限元法必將會得到進一步的完善，也必能促進機械設計方面的發展。
參考文獻
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