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[摘 要]有限元法改变结构单一的强度计算开始拓展至各个技术领域，其所具有的高效性、可靠的数值分析技术在机械工程当中凸显出优势。在市场竞争和生产实践中，有限元法分析越来越普遍。本文将对有限元法的技术手段和特征进行探讨，进而试归纳出有限元法在现代机械工程当中所具有的优势和应用领域，帮助更广大的机械工程企业了解有限元法。
[关键词]有限元法；现代；机械工程；应用领域
中图分类号：TH552 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）19-0064-01
前言：随著计算机技术的不断发展，各领域的科学计算以及设计分析急需一种先进有效的算法对复杂的设计问题进行设计和分析，从而使算法成为日后重要的工程分析工具。这时候有限元法诞生了。作为CAE技术的一部分，有限元法相当完整地集成了传统CAE技术中结构优化与分析的能力，并与其它CAE技术不同，有限元法可以实施迅速的耦合场分析使得其脱颖而出，更具高效简洁的优势。
一、有限元分析法的基本原理和特点优势
（一）有限元分析法实现的原理
作为基于现代科学技术的产物，同时也是CAE技术的重要组成部分，有限元法能够分析处理有其内在的原理。
1.物体离散
在分析对象之前，首先有限元法会对分析对象进行处理，使其离散成多个有限单元。根据计算量的不同，单元个数也不尽相同。其中，描述的精准度和单元个数成正比。
2.对有限单元进行特征分析
在进行对对象的离散处理之后，就要对已有的单元进行优化处理。首先需选取适合的位移模式，再根据基本力学的性质对有限单元逐个分析。通过对材质位置形态这些方面的分析，初步了解节点力和节点位移的相互关系，通过关系导出刚度矩阵。最后还要计算等效节点力，再将其中的体积力和集中力表现力一同进行转移，再把完全等效节点力替换有限单元力。
3.有限单元进行组集
按照原始结构重新联结结构力自带平衡和边界条件，使其形成完整的刚度矩阵。这样就得到了有限单元的组集。
4.位移求解
首先，建立有限元方程，对各个节点实际位移求解，再根据这一结果得出未知量。有限元法属于微分方程的一种，对于求解微分方程的诸多领域都可以利用有限元法来进行分析，因此有限元法的应用十分广泛[1]。
（二）有限元法所具有的优势
作为基于变分原理发展而来，最早的有限元法在泊松方程和拉普拉斯方程所描述物理场都有应用。后来对于流体力学的研究，又引入了加权余算法以及最小二乘法，应用范围进一步得到了拓展。在对比了传统力学我们看到，有限元法可以分析形状复杂非均质的工程结构；有限元法通过计算可以模拟复杂材料的本构关系和荷载条件；有限元法可以分析多类型的结构重力[2]；有限元法可以结合前后处理技术实现对不同方案的对比分析，用图形来表达计算结果，确保工程方案选择最优化。
不过除了这些对于最优化选择和广泛应用的领域有限元法具有强大的优势之外，在计算时间和消耗资源，技术不够成熟等方面，有限元法还有较大的缺陷。如表1：
二、有限元法在现代机械工程当中的主要应用
对于现代机械工程来说，利用有限元法对于工程分析有着十分重要的作用。经过实践，我们发现，在面对现代机械工程时，有限元法的应用主要表现在以下几个方面。
（一）静力学分析
在机械工程中，机械结构在承载以后的应变、应力以及变形都对机械工程本身有着深远影响。因此首先有限元法可以在这一反面进行分析。首先，利用有限元法对机械生产所产出的产品结构当中各元件受力和作用力等多种方面的力进行分析，尤其是对于力的大小和方向的确定。在静力学中，力的大小变化微乎其微，很难通过仪器进行精准测量，这时就需要有限元法对二锥或者是三锥进行对机械结构负载力的分析，再利用高敏度计算机信息处理技术进行精准测量。
（二）动力学分析（模态分析）
模态分析是动力学分析的重要组成部分，在机械进入工作状态时，机械的各零部件同时会受到静载荷以及外界接近零部件频率共同影响，使零件发生共振现象。机械内部结构非常脆弱，共振会使内部结构发生破坏。这时需要有限元法对其进行模态分析，即利用计算机信息技术，进行网络上二维或三维空间的构图，形象化地研究机械零件的固有频率。通过自振形式的分析，来解决共振对其产生的影响。不过需要额外注意，其用到的实际载荷必须是预应力载荷或者是位移载荷[3]。
（三）谐响应和瞬态动力学
在面对周期或者非周期载荷研究时需要用到这两种力学分析方法。这两种方法同属于动力學分析的范畴，在进行发放分析时利用有限元法对实际产品在元件设计过程中受力分析的准确性进行提高。
（四）屈曲分析
在对于各元件所具有的接触压力和应变效果进行的分析就被称为屈曲分析。作为非线性分析的一种方法，屈曲分析在对结构逐渐失稳时的临界荷载以及屈曲模态的形状进行分析，从而提高典型的压杆稳定性。通过屈曲分析，得出具体数值和元件承受实际压力的关系，防止元件遭受到压力破坏。
（五）接触分析
对于机械产品顺利运行来说，各个元件之间需要保证相互协调。这就要求元件之间的接触要保持良好，因为机械产品是靠元件接触来维持运行。这就要求在有限元法的实际应用中还需要对机械产品的接触性进行分析，进而保证机械产品的设计以及生产质量。
（六）热应力分析
在机械工程的结构设计中，设计结构的工作温度和安装温度往往会出现一定的偏差。当出现二者之间温差相差过大的时候，即温度指数偏差，则说明有某个元件在设计过程中，其结构或者质量存在较大的问题，不适合作为机械成品进行生产。这时候就需要有限元法对机械产品的热应力进行分析，发现究竟是哪个元件出现了问题，或者是生产过程中出现了漏洞[4]，通过有限元法对于热能感应进行具体分析，完善对于温度的监控，使设计和管理更加合理。
三、有限元法应用的发展展望
纵观古今，有限元法的发展从最开始的二维分析发展到如今的三维分析，从单个物理场到多个物理耦合，具有划时代的意义。在现代机械工程的应用当中，提高了水平，优化了现有方法。在未来随着科技的进步，有限元法可以更加便捷全面地对机械工业的各个方面进行有效合理分析，在生产过程中规避风险。
结论
有限元法的应用领域极多，在现代机械工程中，作用尤为突出。通过严谨科学的方法对于可能出现或者已经出现的工程质量问题进行分析，从根本上解决了工程在施工阶段所有影响产能影响质量的问题。
参考文献
[1] 李芬玲.有限元法及其在现代机械工程中的应用[J].四川水泥，2016，05：114.
[2] 谢仁杰.分析现代机械工程中有限元法的应用[J].科技与创新，2016，22：82+86.
[3] 赵涛.有限元法及CAE技术在现代机械工程中的应用[J].河南科技，2014，06：122.
[4] 玄东哲.有限元法及CAE技术在现代机械工程中的应用[J].黑龙江科学，2016，23：38-39.
[关键词]有限元法；现代；机械工程；应用领域
中图分类号：TH552 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）19-0064-01
前言：随著计算机技术的不断发展，各领域的科学计算以及设计分析急需一种先进有效的算法对复杂的设计问题进行设计和分析，从而使算法成为日后重要的工程分析工具。这时候有限元法诞生了。作为CAE技术的一部分，有限元法相当完整地集成了传统CAE技术中结构优化与分析的能力，并与其它CAE技术不同，有限元法可以实施迅速的耦合场分析使得其脱颖而出，更具高效简洁的优势。
一、有限元分析法的基本原理和特点优势
（一）有限元分析法实现的原理
作为基于现代科学技术的产物，同时也是CAE技术的重要组成部分，有限元法能够分析处理有其内在的原理。
1.物体离散
在分析对象之前，首先有限元法会对分析对象进行处理，使其离散成多个有限单元。根据计算量的不同，单元个数也不尽相同。其中，描述的精准度和单元个数成正比。
2.对有限单元进行特征分析
在进行对对象的离散处理之后，就要对已有的单元进行优化处理。首先需选取适合的位移模式，再根据基本力学的性质对有限单元逐个分析。通过对材质位置形态这些方面的分析，初步了解节点力和节点位移的相互关系，通过关系导出刚度矩阵。最后还要计算等效节点力，再将其中的体积力和集中力表现力一同进行转移，再把完全等效节点力替换有限单元力。
3.有限单元进行组集
按照原始结构重新联结结构力自带平衡和边界条件，使其形成完整的刚度矩阵。这样就得到了有限单元的组集。
4.位移求解
首先，建立有限元方程，对各个节点实际位移求解，再根据这一结果得出未知量。有限元法属于微分方程的一种，对于求解微分方程的诸多领域都可以利用有限元法来进行分析，因此有限元法的应用十分广泛[1]。
（二）有限元法所具有的优势
作为基于变分原理发展而来，最早的有限元法在泊松方程和拉普拉斯方程所描述物理场都有应用。后来对于流体力学的研究，又引入了加权余算法以及最小二乘法，应用范围进一步得到了拓展。在对比了传统力学我们看到，有限元法可以分析形状复杂非均质的工程结构；有限元法通过计算可以模拟复杂材料的本构关系和荷载条件；有限元法可以分析多类型的结构重力[2]；有限元法可以结合前后处理技术实现对不同方案的对比分析，用图形来表达计算结果，确保工程方案选择最优化。
不过除了这些对于最优化选择和广泛应用的领域有限元法具有强大的优势之外，在计算时间和消耗资源，技术不够成熟等方面，有限元法还有较大的缺陷。如表1：
二、有限元法在现代机械工程当中的主要应用
对于现代机械工程来说，利用有限元法对于工程分析有着十分重要的作用。经过实践，我们发现，在面对现代机械工程时，有限元法的应用主要表现在以下几个方面。
（一）静力学分析
在机械工程中，机械结构在承载以后的应变、应力以及变形都对机械工程本身有着深远影响。因此首先有限元法可以在这一反面进行分析。首先，利用有限元法对机械生产所产出的产品结构当中各元件受力和作用力等多种方面的力进行分析，尤其是对于力的大小和方向的确定。在静力学中，力的大小变化微乎其微，很难通过仪器进行精准测量，这时就需要有限元法对二锥或者是三锥进行对机械结构负载力的分析，再利用高敏度计算机信息处理技术进行精准测量。
（二）动力学分析（模态分析）
模态分析是动力学分析的重要组成部分，在机械进入工作状态时，机械的各零部件同时会受到静载荷以及外界接近零部件频率共同影响，使零件发生共振现象。机械内部结构非常脆弱，共振会使内部结构发生破坏。这时需要有限元法对其进行模态分析，即利用计算机信息技术，进行网络上二维或三维空间的构图，形象化地研究机械零件的固有频率。通过自振形式的分析，来解决共振对其产生的影响。不过需要额外注意，其用到的实际载荷必须是预应力载荷或者是位移载荷[3]。
（三）谐响应和瞬态动力学
在面对周期或者非周期载荷研究时需要用到这两种力学分析方法。这两种方法同属于动力學分析的范畴，在进行发放分析时利用有限元法对实际产品在元件设计过程中受力分析的准确性进行提高。
（四）屈曲分析
在对于各元件所具有的接触压力和应变效果进行的分析就被称为屈曲分析。作为非线性分析的一种方法，屈曲分析在对结构逐渐失稳时的临界荷载以及屈曲模态的形状进行分析，从而提高典型的压杆稳定性。通过屈曲分析，得出具体数值和元件承受实际压力的关系，防止元件遭受到压力破坏。
（五）接触分析
对于机械产品顺利运行来说，各个元件之间需要保证相互协调。这就要求元件之间的接触要保持良好，因为机械产品是靠元件接触来维持运行。这就要求在有限元法的实际应用中还需要对机械产品的接触性进行分析，进而保证机械产品的设计以及生产质量。
（六）热应力分析
在机械工程的结构设计中，设计结构的工作温度和安装温度往往会出现一定的偏差。当出现二者之间温差相差过大的时候，即温度指数偏差，则说明有某个元件在设计过程中，其结构或者质量存在较大的问题，不适合作为机械成品进行生产。这时候就需要有限元法对机械产品的热应力进行分析，发现究竟是哪个元件出现了问题，或者是生产过程中出现了漏洞[4]，通过有限元法对于热能感应进行具体分析，完善对于温度的监控，使设计和管理更加合理。
三、有限元法应用的发展展望
纵观古今，有限元法的发展从最开始的二维分析发展到如今的三维分析，从单个物理场到多个物理耦合，具有划时代的意义。在现代机械工程的应用当中，提高了水平，优化了现有方法。在未来随着科技的进步，有限元法可以更加便捷全面地对机械工业的各个方面进行有效合理分析，在生产过程中规避风险。
结论
有限元法的应用领域极多，在现代机械工程中，作用尤为突出。通过严谨科学的方法对于可能出现或者已经出现的工程质量问题进行分析，从根本上解决了工程在施工阶段所有影响产能影响质量的问题。
参考文献
[1] 李芬玲.有限元法及其在现代机械工程中的应用[J].四川水泥，2016，05：114.
[2] 谢仁杰.分析现代机械工程中有限元法的应用[J].科技与创新，2016，22：82+86.
[3] 赵涛.有限元法及CAE技术在现代机械工程中的应用[J].河南科技，2014，06：122.
[4] 玄东哲.有限元法及CAE技术在现代机械工程中的应用[J].黑龙江科学，2016，23：38-39.