有限元法在机械设计中的应用
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摘 要：近年来，有限元法凭借其独特的优势取得了迅猛的发展，而在机械设计当中，同样也有该种方法的运用。而基于此，该文中则先对有限元法进行了概述，主要包括其具体概念的说明，以及相应优势的分析和其未来应用发展的分析。
关键词：有限元法 模型简化 划分
中图分类号：F407.4 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）04（c）-0073-02
在机械设计当中，具体应用有限元法之时，其应用过程可以大致划分为四个阶段。分别是简化阶段、划分阶段、定义阶段以及运行阶段，而其中在定义阶段又具体涉及到了许多方面的定义，包括几何特征，相应的材料等等多个方面。另外最后的运行阶段更多的则是指数据输入之后得出结果的阶段。有关于运行阶段的部分，所以该文中在介绍有限元法在机械设计中的应用之时，则主要是对其简化阶段，划分阶段以及部分方面的定义进行了分析。
1 有限元法概述
1.1 有限元法概念说明
首先单就有限元法这一单纯的概念来说，其发展的时间相较于其他概念而言还十分短暂，尚且不足100年，但是其发展态势却极为迅猛，目前已经涉及了多个学科领域，并且都取得了不错的应用效果。而这一概念也并非是凭空出现的，它的出现是建立在刚架位移法的基础上的，在保留了这一方法的基本思路的同时，又对其加以拓展，于是便形成了所谓的有限元法。而这一方法，排除过于枯燥的部分，我们也可以将之简单地理解为，这种方法便是对一个连续体进行不断的划分，我们将之所划分出的具体部位称之单元，而这多以三角形或是矩形为主，并且其具体的划分次数与最后的结果紧密相关，划分的越多，相应的结果也就更为精确。而在经历过这种划分之后，其整个的连续体在某种意义上就不再是一个完整独立，不可分割的个体，而是由众多细小的单元共同构成的一个整体。而在这其中，则隐藏了许多种类的位移函数。而有限元法下一步要做的就是建立相应的单元刚度方程，来近似的表现其中所蕴含的各种规律，这也就是有限元法的简单概念。而就该种方法的具体应用来说，其更多的是以软件的形式所表现出来的，通过相应的软件来使该种方法真实的应用在各个领域之中，使其价值得以真正的展现，而这则有赖于计算机技术的发展。所以严格来说，在某种意义上，该种方法在应用之时是具有的综合性的，并不是单一的有限元法的应用。
1.2 有限元法优势分析
有限元法具有诸多应用优势，首先其具体的应用领域限制较少，而这则主要是指其应用范围广泛，具有跨领域性，不单单是在机械设计当中，在一些其他领域内，比如说生物或者是物理领域等都有较为广泛的应用。其次有限元法还具有可实现的应用价值。有限元法的原理虽然看似较为简单，具有一定的可行性，但是其中却蕴含着大量的数据的计算，这不是能够依靠人力便可完成的。但却也由于计算机技术的发展，正解决了这一问题，计算机代替了手工的计算，能够支撑起该方法中所涉及到的庞大的计算量，所以也就使得有限元法的这一缺陷得以被弥补，使其能够真正的出现在现实的各个领域当中，所以才称其具有可实现的应用价值，这也是其所具有的，能够真正促进其迅猛发展的不可忽视的优势之一。
1.3 有限元法应用发展分析
在未来，有限元法将具有十分广阔的发展前景。而在其具体的应用当中，首先毫无疑问的一点是，相应软件的运行在将来必将会得到进一步的开发，并且其效率也会得到进一步的提升，相应的计算工作得到突破性的优化，使其整体的应用效率得以提升。其次其未来发展也将更加的趋向于综合性的发展，更多的与新兴的技术相互融合，更为智能，更能够贴合现实的应用状况，得出更为准确的结果。最后未来有限元法的应用领域必将会得到进一步的扩展，不单单的局限于其目前所涉及到的应用领域之内，其具体的覆盖性与跨度都将会得到进一步的拓展。
2 有限元法在机械设计中的应用研究
2.1 模型简化
模型的简化阶段是整个有限元法运行流程当中的第一个部分，而所谓的模型简化，其实简单的来理解，也就是需要对相应的整体中的多余部分进行去除，留下有用的数据，以便于后续的操作。而在具体的进行简化之时，则不能够盲目的进行修剪丢弃，而必须要依据现实的情况，分析其中所存有的多个数据，进而对无用的数据进行剔除，而对那些明显有着重要作用的数据，则必须要对其予以保留，而进行简化的最终目的则是为了便于后续的计算，否则留有许多无用的数据存在于整体模型当中，将会为后续的计算工作带来极大的困扰，所以合理有效的简化，就能够在保证最终结果不出现偏差的情况之下。极大地方便后续的计算工作。而在这里必须要强调的一点就是在进行具体的简化过程当中，必须要对数据进行具体的分析来进行简化，而不能盲目的进行。在进行相应简化操作这时，不能完全的依照于相应的模型本身，也必须要了解最终的设计目的，进而来对其中的某些数据进行舍弃。而哪怕是构成相似的模型，但由于其最终设计目的的不同，在进行模型简化之时，其所要舍弃的数据相应的也会有所差异，所以则必须要进行详细细致的分析。模型的简化对后续的计算工作有着十分重要的作用，不可忽视。
2.2 模型划分
在进行模型划分之时，其中所涉及到的具体要点较少，主要只有两点，一是必须要依据具体的模型状况，根据其具体的形态来进行合理划分，一切以现实模型为主。其二则是在划分之时要注意其划分的次数情况，要尽可能的进行细致的划分，因为在有限元法的应用当中，其最终划分的单元的数目与其细致程度是与最后的结果有着十分密切的关系的。简单来说划分的越细，结果越精确，所以这一点也是在划分之时要注意的。
2.3 几何及材料特性定义
几何以及材料特征是两个不同的定义类型，首先就几何特征来说，这则主要是要依据具体的数据要求来对相应的模型输入相应数据，以使其拥有某种类型的几何特征。而在具体的进行输入之时也同样不可盲目输入，对于不同的模型来说都有着不同的输入要求，必须要求设计者仔细地对其进行辨别，进而有针对性地进行输入。其次所谓材料特性的定义则主要是指对于整体模型当中的各个构成部分来赋予相应的材料参数。而在这里值得一提的是，并非所有的定义方式都是相同的，尤其是对于那些非线性变比的材料来说，则必须要考虑到其所发生的各类变化情况，做好拟合计算，之后才可进行定义。
2.4 接触及载荷定义
通过前文对于幾何以及材料特性定义的描述，相信大家已经能够理解所谓的定义，简单理解其实也就是对模型的某个部位或是某个方面赋予相应的数值，以体现某些性质，而所谓的接触定义以及载荷定义，其实也无非就是对其相应的接触情况和载荷情况来进行相应的赋值，使其具有相应性质，以模拟现实状况。而其具体的定义条线，则需要以具体的接触情况为依据来进行确定，另外前文中所提及到材料性质的定义就是进行接触定义当中不可或缺的一个前提条件。也只有充分的了解了各个方面的具体情况，与现实情况进行对比模拟，充分地考虑到其具体的应用状况之后，才能真正的做好接触以及载荷方面的定义。
3 结语
在机械设计当中，有限元法的应用为其带来了极大的便利性，有效地降低了成本，提高了设计质量。但不可否认的是，目前此方面的应用还不够完善，但相信这只是暂时的情况，在未来，有限元法必将会得到进一步的完善，也必能促进机械设计方面的发展。
参考文献
[1] 李雨乐，王瑞.浅析有限元软件在机械设计制造中的应用[J].中国战略新兴产业，2018（32）：143.
[2] 徐其伟，郭少华.浅谈有限元法在机械设计中的应用[J].山东工业技术，2017（20）：36.
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