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摘要:

在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展下，有限元分析技術(shù)被廣泛的應(yīng)用到冶金機(jī)械設(shè)計(jì)當(dāng)中，對(duì)冶金機(jī)械設(shè)計(jì)起到了關(guān)鍵性的作用。介紹了有限元分析技術(shù)的特點(diǎn)，充分了解有限元分析技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和價(jià)值所在，進(jìn)而分析有限元分析技術(shù)在冶金機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞:

有限元分析技術(shù);冶金;機(jī)械設(shè)計(jì)

在冶煉工業(yè)發(fā)展中，冶金機(jī)械設(shè)計(jì)是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，通過科學(xué)的設(shè)計(jì)冶煉工序，將有色重金屬進(jìn)行提煉，提升機(jī)械設(shè)計(jì)的水平，將提升冶煉技術(shù)的效果。在傳統(tǒng)的冶金機(jī)械設(shè)計(jì)中，很多零件的數(shù)據(jù)極容易出現(xiàn)誤差，影響設(shè)計(jì)結(jié)果，這些誤差利用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)辦法很難避免，由于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方面很難做到精細(xì)、準(zhǔn)確。在冶金機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用有限元分析技術(shù)，就能夠很好的避免這些問題，將每個(gè)零件在最大限度內(nèi)確保數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)，使機(jī)械設(shè)計(jì)更加合理，提升機(jī)械使用的效率和機(jī)械設(shè)備的使用年限，同時(shí)，降低冶金技術(shù)對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生的污染。

1有限元分析技術(shù)的基本介紹

1．1有限元分析技術(shù)的概念

我們可以這樣看，有限元分析是運(yùn)用某種數(shù)學(xué)近似法，對(duì)真實(shí)的物理系統(tǒng)進(jìn)行模擬。利用簡(jiǎn)單模型、相互關(guān)聯(lián)的元素和固定數(shù)量的未知數(shù)對(duì)無限未知的系統(tǒng)進(jìn)行還原。有限元分析的方法可以將每個(gè)復(fù)雜的問題變成簡(jiǎn)單的問題，對(duì)這些簡(jiǎn)單的小問題進(jìn)行推測(cè)、解答，推測(cè)出求解這個(gè)未知數(shù)的條件，為機(jī)械設(shè)計(jì)提供更加精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，從而提升機(jī)械設(shè)計(jì)的效率。

1．2有限元分析技術(shù)的特征

有限元是將具有連續(xù)性分散的單元進(jìn)行重新組合，有限元分析技術(shù)主要是為了求解最小的子域。在傳統(tǒng)的求解方式中，對(duì)整體的定義域進(jìn)行求解，這就要求滿足整體定義域內(nèi)的所有條件，這就增加了求解的難度，極容易出現(xiàn)各種錯(cuò)誤。無論是對(duì)子域求解，還是對(duì)整體定義域求解都無法提供準(zhǔn)確的計(jì)算，但是有限元分析方法對(duì)子域的求解能夠無限的接近真實(shí)的數(shù)據(jù)，對(duì)小單元進(jìn)行求解，進(jìn)而推測(cè)出滿足整體定義域的條件，將整個(gè)計(jì)算更加準(zhǔn)確，進(jìn)而提高機(jī)械設(shè)計(jì)的效果。在冶金機(jī)械設(shè)計(jì)過程中，有限元分析的方法是利用函數(shù)在簡(jiǎn)單的子域內(nèi)進(jìn)行求解，這求解過程不需要考慮整體定義域的條件，這種求解方法更加簡(jiǎn)單、方便，更加精準(zhǔn)［1-2］。

2有限元分析技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

2．1能夠使軟件進(jìn)行無縫銜接

目前，有限元分析軟件和CAD制圖軟件相互結(jié)合使用，產(chǎn)生了非常好的效果。利用CAD制圖軟件完成機(jī)械設(shè)備中零部件的改造工作，將改造后的數(shù)據(jù)輸送到原來的軟件模型，將設(shè)計(jì)好的軟件模型數(shù)據(jù)放到特定的軟件中，對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算和分析，查看分析結(jié)果。如果最后的結(jié)果符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，停止進(jìn)行操作，上交相應(yīng)的數(shù)據(jù);如果分析的結(jié)果與預(yù)計(jì)結(jié)果相差很遠(yuǎn)，需要對(duì)其進(jìn)行重新調(diào)整，直到符合要求。通過對(duì)有限元分析軟件的不斷完善，能夠很好的解決機(jī)械設(shè)計(jì)中的軟件應(yīng)用。舉例說明一下，CAD制圖軟件能夠與有限元分析技術(shù)進(jìn)行融合，達(dá)到無縫連接，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確傳遞。

2．2設(shè)置全新的網(wǎng)格處理技術(shù)

在有限元分析技術(shù)處理問題的過程中，很容易出現(xiàn)問題。處理的內(nèi)容主要有離散化的分析對(duì)象、有限元的簡(jiǎn)單求解和分析結(jié)果。一般情況下，離散化的分析數(shù)據(jù)與網(wǎng)格質(zhì)量息息相關(guān)。在分析數(shù)據(jù)中，大多數(shù)的軟件設(shè)計(jì)無法滿足要求，只有很少的一部分滿足。因此，提升網(wǎng)格處理能力，最好的方式就是對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行重新自動(dòng)化分割，然后重新組合。

2．3將程序進(jìn)行大范圍的開放

科學(xué)技術(shù)的提升，很多企業(yè)都在進(jìn)行市場(chǎng)擴(kuò)張，緊跟市場(chǎng)的趨勢(shì)，滿足用戶提出的要求，增加對(duì)軟件功能的研究，進(jìn)而增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)研發(fā)的新軟件應(yīng)用到實(shí)際操作中，很難滿足所有用戶的需求，這也就是說，需要對(duì)軟件進(jìn)行進(jìn)一步的擴(kuò)充。

2．4將求解問題的難度加大

社會(huì)進(jìn)步的腳步加快，當(dāng)下的線性理論求解很難滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求，應(yīng)用線性理論后，出現(xiàn)很多材料的浪費(fèi)、資源的破壞，很多問題無法解決。利用線性理論進(jìn)行解決的問題相對(duì)較簡(jiǎn)單，為了解決某些復(fù)雜的問題，需要依靠非線性理論。由于非線性理論相對(duì)比較難，應(yīng)用起來相對(duì)有些難度，求解的過程也相對(duì)比較復(fù)雜，因此，需要利用某些特殊的方式求解非線性問題。

3有限元分析技術(shù)的價(jià)值體現(xiàn)

當(dāng)前，有限元分析技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到設(shè)計(jì)流程中，也就是說，有限元分析技術(shù)應(yīng)用到設(shè)計(jì)流程中每個(gè)部件、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在某些階段，對(duì)于設(shè)計(jì)概念沒有詳細(xì)的介紹，只是簡(jiǎn)單的評(píng)價(jià)。在機(jī)械設(shè)計(jì)的過程中，利用數(shù)字樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行分析，也就是將原來的分析過程添加到計(jì)算機(jī)中，在計(jì)算機(jī)上對(duì)驗(yàn)證進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試出相應(yīng)的結(jié)果，觀察其結(jié)果是否符合相關(guān)要求，然后進(jìn)行下一項(xiàng)測(cè)試，如果測(cè)試合格后，馬上投入生產(chǎn)。有限元分析技術(shù)將提高機(jī)械設(shè)計(jì)的效率，同時(shí)，能夠給企業(yè)帶來豐厚的利潤(rùn)。當(dāng)前，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)非常激烈，需要展現(xiàn)出核心的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。核心競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)有產(chǎn)品本身的質(zhì)量、生產(chǎn)的成本和市場(chǎng)營(yíng)銷的時(shí)間。有限元技術(shù)應(yīng)用在這幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì):1)能夠縮短生產(chǎn)的時(shí)間。由于機(jī)械設(shè)備的建模和造型都是在計(jì)算機(jī)中完成，通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整計(jì)算機(jī)的模型，從而減少生產(chǎn)模型的時(shí)間，增加使用的年限;2)減低整體的投資費(fèi)用。由于有限元分析技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)，這種效果能夠減少有限元分析技術(shù)的投資;3)提升產(chǎn)品自身的質(zhì)量。利用先進(jìn)的技術(shù)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化處理，提升整個(gè)產(chǎn)品本身的效果。

4有限元分析在冶金機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

4．1模型簡(jiǎn)化處理

有限元分析技術(shù)是在計(jì)算機(jī)的模型分析基礎(chǔ)上建立的，如果計(jì)算機(jī)模型處理的好，有限元分析技術(shù)應(yīng)用的效果就非常好。冶金機(jī)械設(shè)計(jì)的模型結(jié)構(gòu)非常的復(fù)雜，需要從動(dòng)、靜兩個(gè)方面進(jìn)行分析。想要將一個(gè)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，首先要判斷這個(gè)問題的性質(zhì)，是屬于線性結(jié)構(gòu)還是非線性結(jié)構(gòu)，是動(dòng)力學(xué)問題還是靜力學(xué)問題，分析出來后，再根據(jù)不同的方法進(jìn)行正確的處理，進(jìn)而得出相應(yīng)的結(jié)果［3］。比如:在進(jìn)行動(dòng)力分析的過程中，不適宜采用振型疊加法和周期載荷的富力埃級(jí)數(shù)展開的方式進(jìn)行求解;對(duì)于某個(gè)變化或者某個(gè)關(guān)系式和時(shí)間有所關(guān)聯(lián)，就可以按照動(dòng)力問題進(jìn)行求解。一般情況下，冶金機(jī)械設(shè)計(jì)都是一個(gè)相對(duì)比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，首先要分析這個(gè)結(jié)構(gòu)的特征，對(duì)這個(gè)結(jié)構(gòu)的每個(gè)部分進(jìn)行詳細(xì)的剖析，按照適合的方式進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，進(jìn)而進(jìn)行合理的計(jì)算［4］。切記胡亂的進(jìn)行簡(jiǎn)化，比如:利用不抗彎的膜代替抗彎曲的板，利用桿代替梁，將三維立體的塊狀物體比作軸對(duì)稱的球體等等問題，這些問題都會(huì)造成模型計(jì)算的誤差。在結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化的過程中，必須嚴(yán)格的按照力學(xué)概念進(jìn)行簡(jiǎn)化，操作人員必須對(duì)力學(xué)中的桿、板、三維圖形等等問題有準(zhǔn)確的了解，同時(shí)，還要了解他們所應(yīng)用的限制條件，在模型簡(jiǎn)化中做到精準(zhǔn)，提高后期模型計(jì)算效果。目前，在靜力分析模型中，已經(jīng)取得效果的技術(shù)包括:燒結(jié)混料機(jī)的有限元分析與剩余壽命研究、帶式燒結(jié)機(jī)新型星輪有限元分析、燒結(jié)機(jī)臺(tái)車卡倫軸承有限元分析等等。

4．2結(jié)構(gòu)解體的規(guī)模變小

冶金機(jī)械設(shè)計(jì)隸屬于大型工程中，對(duì)于這類大型工程中所采用的構(gòu)件數(shù)量比較多，形態(tài)比較復(fù)雜。為了能夠得到非常準(zhǔn)確的結(jié)果，需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解，分解成很多簡(jiǎn)單的小單元，由于這個(gè)大型結(jié)構(gòu)的求解中涵蓋了很多個(gè)小節(jié)點(diǎn)，方程式的規(guī)模也比較龐大。在進(jìn)行計(jì)算的過程中，即使計(jì)算機(jī)能夠滿足所有的條件，但是需要花費(fèi)大量的費(fèi)用。在這種情況下，在精準(zhǔn)化求解的條件下，如何減少花費(fèi)的費(fèi)用，成為了冶金機(jī)械設(shè)計(jì)人員一直努力研究的課題。經(jīng)過無數(shù)設(shè)計(jì)人員的付出，有了突破性的進(jìn)展。在機(jī)械設(shè)計(jì)中，可以利用結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性、周期性等固有的特點(diǎn)將問題的規(guī)模變小，分解成無數(shù)個(gè)小單元。在冶金機(jī)械設(shè)計(jì)中，需要設(shè)計(jì)出很多零部件，比如:發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子、空氣壓縮機(jī)的葉輪等等，如果這些零件的設(shè)計(jì)都能夠按照科學(xué)的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，將能夠保障整個(gè)冶金機(jī)械設(shè)計(jì)的效果。對(duì)設(shè)計(jì)中所有的零部件進(jìn)行整體的分析，不僅要花費(fèi)大量的人力，還需要大量的物力，同時(shí)也很難保證其精準(zhǔn)度。因此，如果利用這些零件結(jié)構(gòu)自身的特點(diǎn)，選擇某個(gè)周期對(duì)其進(jìn)行分析，所花費(fèi)的工作量將大大減少。特別是對(duì)于這類工程量非常大的模型，在模型中有很多相同的零部件，只要對(duì)其中一個(gè)進(jìn)行分析，就能得出相應(yīng)的結(jié)果。目前求解的方法有多重靜力子結(jié)構(gòu)合動(dòng)力子結(jié)構(gòu)，利用這兩種方法可以在某種程度上減少費(fèi)用。針對(duì)大型工程問題求解還有一種方法就是逐步“鉆心技術(shù)”，這種設(shè)計(jì)方法需要先利用粗網(wǎng)格模型的方式將整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行粗略分析，緊接著對(duì)局部進(jìn)行細(xì)化分析，將粗分析的結(jié)果當(dāng)做邊界條件。如果計(jì)算出的結(jié)果和所設(shè)定的結(jié)果有所差距，就需要對(duì)局部模型中的某個(gè)零件進(jìn)行詳細(xì)的分析，根據(jù)粗分析的結(jié)果作為這個(gè)局部零件的邊界條件，再次進(jìn)行精準(zhǔn)的求解，希望能夠接近設(shè)計(jì)的結(jié)果。對(duì)于每次局部某個(gè)區(qū)域進(jìn)行分析，所使用的計(jì)算量就會(huì)大大降低，這樣就能提高計(jì)算的精準(zhǔn)度。

4．3降低設(shè)計(jì)成本

傳統(tǒng)的冶金機(jī)械設(shè)計(jì)中，需要有大量的設(shè)計(jì)資料和豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，才能研發(fā)出一個(gè)新的設(shè)計(jì)產(chǎn)品，這種方式很難開發(fā)出新得機(jī)械設(shè)計(jì)，對(duì)于提升產(chǎn)品的性能所起的作用也是微乎其微，同時(shí)，利用原來的方法需要花費(fèi)更多的研發(fā)經(jīng)費(fèi)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，將有限元分析技術(shù)應(yīng)用到冶金機(jī)械設(shè)計(jì)中，不僅提高了計(jì)算的效率，減少了人力、物力的投入，更加增大的經(jīng)濟(jì)收益。由于有限元分析技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在某種程度上提高了機(jī)械設(shè)計(jì)的效果，受到了很多機(jī)械設(shè)計(jì)業(yè)內(nèi)人士的喜愛。因此，人才和科技的優(yōu)勢(shì)決定了國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)的地位，將有限元分析技術(shù)應(yīng)用在冶金機(jī)械中，大大的提升了我國(guó)冶金機(jī)械工業(yè)的水平，同時(shí)，推動(dòng)了我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)的能力。

5總結(jié)

在冶金機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用有限元分析技術(shù)，不僅提升了企業(yè)的設(shè)計(jì)效率，使設(shè)計(jì)方案得到優(yōu)化，將開發(fā)新產(chǎn)品的時(shí)間減少，更加降低了機(jī)械設(shè)計(jì)研發(fā)的投入。雖然我國(guó)很多很多機(jī)械生產(chǎn)企業(yè)仍在使用過去的設(shè)計(jì)技術(shù)，但是有限元分析技術(shù)受到了整個(gè)冶金機(jī)械設(shè)計(jì)工作者的喜愛，相信隨著有限元分析技術(shù)的不斷完善，有限元分析技術(shù)在我國(guó)機(jī)械的應(yīng)用中將得到廣泛的應(yīng)用，繼而推動(dòng)我國(guó)工業(yè)的發(fā)展水平，提升我國(guó)國(guó)民的經(jīng)濟(jì)水平。

作者：王秋鵬 單位：西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院

參考文獻(xiàn):

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