现代设计方法及其应用结课论文.doc

现代设计方法及其应用 结 课 论 文 班级 ：11020441 学号 ：1102044xxx 姓名 ：xxxxxx 有限元法与其应用于机械工程领域探讨摘要：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 CAE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, 已成为工程设计和分析中的重要工具。在有限元法基本原理的基础上, 分析了有限元的优越性, 介绍有限元的发展趋势, 研究有限元法在现代机械工程中的应用情况。关键词：有限元法; 机械工程; 应用 Application of FEM to modern mechanical engineeringAbstract: FEM is a kind of advanced CAE technology which is widely applied in scientific calculation, design and analysis. The principle of FEM is introduced. The article analyses the superiority and development of FEM. The application of FEM is summarized in modern mechanical engineering.Key words: FEM; mechanical engineering; application研究目的在竞争激烈的市场环境中, 为取得竞争优势, 企业迫切需要能够迅速开发出高质量、低成本的产品, 并迅速抢占市场。因此企业界迫切需要高技术、高速度、低成本的设计方法。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。有限元法的基本原理有限元法分析的基本步骤如下:( 1) 物体离散化。将分析的对象离散为有限个单元, 单元的数量根据需要和计算精度而定。一般情况下, 单元划分越细则描述变形情况越精确, 越接近实际变形, 但计算量越大。( 2) 单元特性分析。首先进行位移模式选择。有限元法通常采用位移法, 因此应先选择合理的位移模式 (位移函数)。然后分析单元的力学性质。根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义, 找出单元节点力和节点位移的关系式, 亦即导出单元刚度矩阵, 这是分析中的关键一步。最后计算等效节点力。将单元边界上的表面力、体积力或集中力等效地转移到节点上, 也就是用等效的节点力来代替所有作用在单元上的力。( 3) 单元组集。利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新联结起来, 形成整体刚度矩阵。( 4) 求解未知节点位移。解有限元方程求出节点位移,然后根据节点位移求出所有的未知量。归根到底, 有限元法是求解常, 偏微分方程的一种方法。理论上讲, 凡能够归纳为求解微分方程的工程问题都可以用有限元法来解决。因此有限元法可以进行结构、热、电磁、流体、声学等分析。有限元法与其它常规力学方法相比, 具有许多优越性:a. 可以分析形状十分复杂的、非均质的各种实际的工程结构;b. 可以在计算中模拟各种复杂的材料本构关系、荷载和条件;c. 可以进行结构的动力分析;d.由于前处理和后处理技术的发展, 可以进行大量方案的比较分析, 并迅速用图形表示计算结果, 从而有利于对工程方案进行优化。有限元法的发展趋势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, 由静力学问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、电磁学、传热学等学科, 由线性问题扩展到非线性问题, 由弹性材料扩展到弹塑性、塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料, 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藕合, 其应用的深度和广度都得到了极大的拓展。有限元法的发展过程是与计算机技术的发展紧密相联的。只有计算机技术高度发展以后, 有限元法才得到广泛的应用。一个复杂的问题的求解, 过去用小型机花费几天才能得到结果, 现在用 PC机几个小时就能完成同样的工作。商业有限元软件也由只能在大中型计算机上使用, 转人到多数都能在 PC平台上运行。可以预期, 随着计算机技术的进一步发展, 有限元法的应用还将进一步扩大, 并将成为工程技术中更重要、更有力的数值计算工具。有限元法在机械工程上的应用由于机械产品的设计、制造和试验有以下的特点:( 1) 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;( 2) 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;( 3) 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 2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。有限元软件的发展趋势 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 1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。 ( 2) 由单一零件的模拟向整机的模拟方向发展。 ( 3) 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。 ( 4) 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。 ( 5) 加强与设计制造过程的集成和数据转换, 向与 CAD /CAM 无缝化集成的方向发展。即在 CAD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。 ( 6) 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。结束语 有限元法一直处于不断发展和探索之中。应用有限元法起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 CAE技术是一种巨大的生产力, 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。参考文献: 1 王成煮. 现代机械设计-思想与方法 M . 上海: 上海科学技术文献出版社, 1999. 2 赵松年, 佟杰新, 卢秀春. 现代设计方法 M . 北京: 机械工业