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摘 要：有限元分析是利用数学近似的方法模拟真实物理习题，可以对高难度问题得到高精度的计算结果，在机械设计领域得到了广泛应用。本文对有限元分析方法在机械设计中的应用进行分析，针对有限元分析应用的关键影响因素提出相应的解决对策，着重介绍如何做好容差设置、量纲选择、单元选择和网格密度设置等关键工作，以更好的发挥有限元分析的优势和作用。
关键词：机械设计 有限元分析 影响因素 对策
Some Key Problems of Finite Element Analysis in Mechanical Design
Pan Lang
Abstract：Finite element analysis is a mathematical approximation solution in simulate real physical cases， which can obtain high precision calculation results for high difficulty problems and has been widely used in mechanical design field. This paper analyzes the application of finite element analysis method in mechanical design， and puts forward corresponding solutions to the key influencing factors of finite element analysis application. It mainly introduces how to do well in key works such as tolerance setting， dimension selection， element selection and grid density setting， so as to give full play to the advantages and functions of finite element analysis.
Key words：mechanical design， finite element analysis， influencing factors， countermeasures
随着计算机技术的不断发展，有限元分析技术在机械设计领域得到了越来越普遍的应用，借助有限元分析软件可以根据机械零件几何特征建立有限元模型，分析单元的力学性质，结合力的平衡条件等因素形成整体刚度矩阵，计算应变和应力，从而对零件设计进行优化，提高零件刚度和强度等性能指标，降低零件生产制造成本，满足工业设计与生产需求。有限元分析的应用范围十分广泛，可以用于金属材料、复合材料等不同材料的零件设计，成为机械工程领域基本的分析方法之一。
1 有限元分析在机械设计中的应用原理和流程
有限元分析是一种数据分析处理的方法，使用数学近似的方法模拟真实的物理习题，可以用简单的近似问题代替复杂的问题进行求解，以有限去逼近无限。这种分析方法中互连子阈被视为组成解阈的因素，使用假定的简单的近似解匹配给各个单元，对这个阈总的满足条件求解推导，得出问题的解。在这一过程中，得到的并非问题的准确值，而是近似值，但通过有限元分析使用简单问题替代实际问题求解，可以对复杂问题得到精度较高的计算结果，具有很强的实用性和适用性。
传统的机械设计基于以往的经验进行设计，需要结合现有的资料研发新的产品，根据既有经验对产品设计进行优化改进。这种方式需要耗费设计人员大量的时间和精力，且受限于设计人员自身的经验水平和现有资料，设计优化的提升十分有限，不仅设计与生产效率低，而且效果往往并不理想。主要原因在于传统设计方法没有选择的余地，设计工作中存在盲目性的问题，缺乏准确、可靠的数据支持，难以对设计与生产效果进行科学的评估。有限元分析法的引入，可以大大降低设计人员的工作负担，减少了人力、物力和材料等方面的消耗，缩短了设计时间，更重要的是大幅提升了机械设计的上限，使机械设计与产品制造效果得到保障。
有限元分析在机械设计领域有着广泛的应用。在计算机技术和数据处理技术高速发展的背景下，有限元分析在解决复杂问题上发挥了重要作用。例如可以借助有限元分析法进行外部荷载对机体结构应力应变的分析，可以解决损伤容限分析和实验中的荷载验证等问题。在具体应用过程中，需要先简化模型，对单元格进行划分，再对几何、边界条件、载荷状况等进行定义。其中，机械模型简化是将研发的新产品模型中不重要的部分去除，比如机械结构中倒角等不影响机械生产的部分，去除这些部分不会影响机械生产质量，可以降低有限元分析的工作量;单元格划分是对机械模型进行划分处理，根据模型构建有限数据，便于设计人员从分散数据中总结模拟分析的规律;定义机械的几何特点包括零件应力、厚度等几何特征，从而可以根据产品几何特征制作相应的模型，需要注意材料特性的定义问题，机械模型应构建材料参数，同时还需要定义接触条件、载荷状况等内容，确定机械模型的受力与材料等因素。设计人员需要重视接触条件和单元格的分析，这两个因素会对有限元分析结果造成直接影响。还需要注意的是，对完成的机械模型，需要对其类型进行定义，有限元分析法中不同結构类型有不同的单元类型。
然而有限元分析法也有不成熟的方面，例如在强度校核方面尚处于探索阶段。在应用有限元分析法进行机械设计的过程中，设计人员需要对分析结果辨证看待，不盲目相信也不能盲目否定，要有严密的思维和科学的判断，对有限元分析的计算原理有清晰而充分的认识，对实际结果与分析结果的差异有科学的分析，验证有限元分析结果的可行性，尤其要重视常规强度的计算问题。 2 有限元分析在机械设计中的关键问题分析
有限元分析在机械设计中的应用，会受到种种因素的影响和干扰，可能导致分析结果的精确度和准确性达不到设计要求，这需要相关人员进来减少干扰因素的影响，提高有限元分析方法应用的可靠性。结合有限元理论分析和机械设计实践经验，相关工作人员需要针对可能影响有限元分析精确性和可靠性的相关因素，做好容差设置、量纲选择、单元选择和网格密度设计等工作的安排，确保各项操作科学合理，有限元分析结果精确可靠。
2.1 容差设置问题分析
有限元分析软件包含前置处理、后置处理和解算器，其中前置和后置处理的容差设置对几何精度有直接影响。容差设置范围的差异，会导致模型结果和分析结果的不同。同时，解算器收敛精度的设计也是不容忽视的重要环节，也会对分析结果造成一定的影响。
因此，相关人员在有限元分析过程中，需要关注容差设置和解算器收敛精度设计，对这些因素对有限模拟结果的影响进行研究。例如收敛精度设计会对有限元分析结果的计算成本造成影响，原因在于收敛精度受设置的求解收敛精度影响，再如容差不同的设置会产生不同的模型整合结果。只有给予重视，对相关因素的影响有清晰的认识，科学做好容差设置等工作，才能确保有限元分析结果的准确性和可靠性。
2.2 量纲选择问题分析
量规一般包括质量、长度、应力等因素，虽然理论上对量纲的选择没有限定和约束，然而在实际工作中如何量规选择不当仍然会对数据处理造成影响，导致数据处理结果偏差，最终的有限元分析结果也会产生相应的误差，影响有限元分析的准确性。
因此，研究人员在有限元分析过程中，不能忽视量纲选择的影响，虽然量纲的影响看起来很小，但对结果的误差值得重视。应注意量纲的设置，选择合适的量纲，不可随意选择精度值，做好量纲关系的协调，确保前后一致，避免因量纲选择不合理导致参数差异，制约数据精度。
2.3 单元选择问题分析
有限元分析前置处理过程中包括几何建模、单位定义、材料定义、网格划分等内容，网格划分即按照几何模型定义的单元格进行离散。单元插值形函数节点处和单元内物理量的对应关系受插值函数影响，为不同阶次的幂函数多项式形式，作为线性函数时单元内发生线性分布，应变量是常量，而在二次函数时单元内应变量不是常量，有着线性分布的特点。在有限元分析中，分析结果受单元选择的影响，单元插值形函数的阶次越高，分析结果精度越高，而随着单元节点的增加，形函数阶次也随之增加，大大提高了有限元计算成本。
因此，在有限元分析过程中，应综合考虑分析结果精度和计算成本两个因素，不能片面追求计算成本的降低，或是有限元分析结果精度的提高，而是要结合实际需要，合理选择单元，实现二者的平衡。有限元分析软件单元处理中对每个单元有计算说明，需要工作人员充分了解每个单元的荷载类型、自由度和单元特性，根据实际操作选择合适的单元。由于实际的网格可能包括三角形等多个形体，结构复杂多样，很难用合适的单元格进行划分，为了减少与理想状态的偏差，需要使单元格尽量与理想单元格相近，可以根据有限元分析软件中的单元库算法，根据结构的几何形状找到理想的单元结构，通过评价指标判定单元形状质量。在评价指标的选择中，需要对不同节点不同单元格的选择提高重视，线性单元的六面体、四边形、三角形等单元边长应该不超过3，而二次单元不同形态的单元格边长应不超过10。
2.4 网格密度问题分析
网格密度与有限元分析结果有着直接的关系，需要使用拉伸法、应设法等正确的方法进行建模，而由于机械设计中不同部位网格密度不同，需要进行网格的加密或稀疏。这需要考虑分析对象的应变应力差异，对于几何凹凸角孔洞、两种材料连接部位、产品边界复杂区域等应力集中部位，需要进行准确分析，采取精密的网格密度来确保有限元分析结果的准确性。同时，相邻单元的应变幅度过大，会对计算结果造成影响，必须塑性成形过程中相邻单元格的梯度应控制在5%以内。如果网格过于稀疏，会使有限元分析结果的精确度下降，而过于精密的网格也会导致计算成本剧增，而且在网格密度达到一定程度时密度增加对精度的提升影响会越来越小，因此应综合考虑成本与精度，不建议最大最大的网格密度，而是选择综合最优的网格密度。
3 结语
综上所述，有限元分析是机械设计的基本方法，通过静力学分析方式可以对二维和三维机械结构的变形、应力应变进行分析计算。在机械设计中有限元分析过程中，需要准确把握有限元分析的原理和方法，了解有限元分析方法的优势和适用性，熟练操作有限元分析软件，尤其要对容差设置、量纲选择、单元选择、网格密度设置等方面做好科学分析，综合考虑各方面因素，达到分析精度与成本综合效益的最优，满足工业设计的要求，提高机械设计质量，为新产品的研发工作提供可靠的依据支撑。
参考文献：
[1]高清冉，姚亚平.机械设计的有限元分析及结构优化[J].南方农机，2020，51（21）：135-136.
[2]杨金科，杨金林.毛巾自动清洗拧干机的机械结构设计与有限元分析[J].装备制造技术，2020（08）：93-97.
[3]牟清举.机械设计中有限元法的应用分析[J].时代農机，2017，44（11）：70.
[4]经叶贵.基于有限元方法的模态机械设计分析[J].山东工业技术，2017（22）：4+2.
[5]王秋鹏.有限元分析技术在冶金机械设计中的应用[J].中国锰业，2016，34（04）：140-142.[6]王蔚.有限元技术在机械设计中的应用分析[J].科技创新与应用，2016（07）：143.
关键词：机械设计 有限元分析 影响因素 对策
Some Key Problems of Finite Element Analysis in Mechanical Design
Pan Lang
Abstract：Finite element analysis is a mathematical approximation solution in simulate real physical cases， which can obtain high precision calculation results for high difficulty problems and has been widely used in mechanical design field. This paper analyzes the application of finite element analysis method in mechanical design， and puts forward corresponding solutions to the key influencing factors of finite element analysis application. It mainly introduces how to do well in key works such as tolerance setting， dimension selection， element selection and grid density setting， so as to give full play to the advantages and functions of finite element analysis.
Key words：mechanical design， finite element analysis， influencing factors， countermeasures
随着计算机技术的不断发展，有限元分析技术在机械设计领域得到了越来越普遍的应用，借助有限元分析软件可以根据机械零件几何特征建立有限元模型，分析单元的力学性质，结合力的平衡条件等因素形成整体刚度矩阵，计算应变和应力，从而对零件设计进行优化，提高零件刚度和强度等性能指标，降低零件生产制造成本，满足工业设计与生产需求。有限元分析的应用范围十分广泛，可以用于金属材料、复合材料等不同材料的零件设计，成为机械工程领域基本的分析方法之一。
1 有限元分析在机械设计中的应用原理和流程
有限元分析是一种数据分析处理的方法，使用数学近似的方法模拟真实的物理习题，可以用简单的近似问题代替复杂的问题进行求解，以有限去逼近无限。这种分析方法中互连子阈被视为组成解阈的因素，使用假定的简单的近似解匹配给各个单元，对这个阈总的满足条件求解推导，得出问题的解。在这一过程中，得到的并非问题的准确值，而是近似值，但通过有限元分析使用简单问题替代实际问题求解，可以对复杂问题得到精度较高的计算结果，具有很强的实用性和适用性。
传统的机械设计基于以往的经验进行设计，需要结合现有的资料研发新的产品，根据既有经验对产品设计进行优化改进。这种方式需要耗费设计人员大量的时间和精力，且受限于设计人员自身的经验水平和现有资料，设计优化的提升十分有限，不仅设计与生产效率低，而且效果往往并不理想。主要原因在于传统设计方法没有选择的余地，设计工作中存在盲目性的问题，缺乏准确、可靠的数据支持，难以对设计与生产效果进行科学的评估。有限元分析法的引入，可以大大降低设计人员的工作负担，减少了人力、物力和材料等方面的消耗，缩短了设计时间，更重要的是大幅提升了机械设计的上限，使机械设计与产品制造效果得到保障。
有限元分析在机械设计领域有着广泛的应用。在计算机技术和数据处理技术高速发展的背景下，有限元分析在解决复杂问题上发挥了重要作用。例如可以借助有限元分析法进行外部荷载对机体结构应力应变的分析，可以解决损伤容限分析和实验中的荷载验证等问题。在具体应用过程中，需要先简化模型，对单元格进行划分，再对几何、边界条件、载荷状况等进行定义。其中，机械模型简化是将研发的新产品模型中不重要的部分去除，比如机械结构中倒角等不影响机械生产的部分，去除这些部分不会影响机械生产质量，可以降低有限元分析的工作量;单元格划分是对机械模型进行划分处理，根据模型构建有限数据，便于设计人员从分散数据中总结模拟分析的规律;定义机械的几何特点包括零件应力、厚度等几何特征，从而可以根据产品几何特征制作相应的模型，需要注意材料特性的定义问题，机械模型应构建材料参数，同时还需要定义接触条件、载荷状况等内容，确定机械模型的受力与材料等因素。设计人员需要重视接触条件和单元格的分析，这两个因素会对有限元分析结果造成直接影响。还需要注意的是，对完成的机械模型，需要对其类型进行定义，有限元分析法中不同結构类型有不同的单元类型。
然而有限元分析法也有不成熟的方面，例如在强度校核方面尚处于探索阶段。在应用有限元分析法进行机械设计的过程中，设计人员需要对分析结果辨证看待，不盲目相信也不能盲目否定，要有严密的思维和科学的判断，对有限元分析的计算原理有清晰而充分的认识，对实际结果与分析结果的差异有科学的分析，验证有限元分析结果的可行性，尤其要重视常规强度的计算问题。 2 有限元分析在机械设计中的关键问题分析
有限元分析在机械设计中的应用，会受到种种因素的影响和干扰，可能导致分析结果的精确度和准确性达不到设计要求，这需要相关人员进来减少干扰因素的影响，提高有限元分析方法应用的可靠性。结合有限元理论分析和机械设计实践经验，相关工作人员需要针对可能影响有限元分析精确性和可靠性的相关因素，做好容差设置、量纲选择、单元选择和网格密度设计等工作的安排，确保各项操作科学合理，有限元分析结果精确可靠。
2.1 容差设置问题分析
有限元分析软件包含前置处理、后置处理和解算器，其中前置和后置处理的容差设置对几何精度有直接影响。容差设置范围的差异，会导致模型结果和分析结果的不同。同时，解算器收敛精度的设计也是不容忽视的重要环节，也会对分析结果造成一定的影响。
因此，相关人员在有限元分析过程中，需要关注容差设置和解算器收敛精度设计，对这些因素对有限模拟结果的影响进行研究。例如收敛精度设计会对有限元分析结果的计算成本造成影响，原因在于收敛精度受设置的求解收敛精度影响，再如容差不同的设置会产生不同的模型整合结果。只有给予重视，对相关因素的影响有清晰的认识，科学做好容差设置等工作，才能确保有限元分析结果的准确性和可靠性。
2.2 量纲选择问题分析
量规一般包括质量、长度、应力等因素，虽然理论上对量纲的选择没有限定和约束，然而在实际工作中如何量规选择不当仍然会对数据处理造成影响，导致数据处理结果偏差，最终的有限元分析结果也会产生相应的误差，影响有限元分析的准确性。
因此，研究人员在有限元分析过程中，不能忽视量纲选择的影响，虽然量纲的影响看起来很小，但对结果的误差值得重视。应注意量纲的设置，选择合适的量纲，不可随意选择精度值，做好量纲关系的协调，确保前后一致，避免因量纲选择不合理导致参数差异，制约数据精度。
2.3 单元选择问题分析
有限元分析前置处理过程中包括几何建模、单位定义、材料定义、网格划分等内容，网格划分即按照几何模型定义的单元格进行离散。单元插值形函数节点处和单元内物理量的对应关系受插值函数影响，为不同阶次的幂函数多项式形式，作为线性函数时单元内发生线性分布，应变量是常量，而在二次函数时单元内应变量不是常量，有着线性分布的特点。在有限元分析中，分析结果受单元选择的影响，单元插值形函数的阶次越高，分析结果精度越高，而随着单元节点的增加，形函数阶次也随之增加，大大提高了有限元计算成本。
因此，在有限元分析过程中，应综合考虑分析结果精度和计算成本两个因素，不能片面追求计算成本的降低，或是有限元分析结果精度的提高，而是要结合实际需要，合理选择单元，实现二者的平衡。有限元分析软件单元处理中对每个单元有计算说明，需要工作人员充分了解每个单元的荷载类型、自由度和单元特性，根据实际操作选择合适的单元。由于实际的网格可能包括三角形等多个形体，结构复杂多样，很难用合适的单元格进行划分，为了减少与理想状态的偏差，需要使单元格尽量与理想单元格相近，可以根据有限元分析软件中的单元库算法，根据结构的几何形状找到理想的单元结构，通过评价指标判定单元形状质量。在评价指标的选择中，需要对不同节点不同单元格的选择提高重视，线性单元的六面体、四边形、三角形等单元边长应该不超过3，而二次单元不同形态的单元格边长应不超过10。
2.4 网格密度问题分析
网格密度与有限元分析结果有着直接的关系，需要使用拉伸法、应设法等正确的方法进行建模，而由于机械设计中不同部位网格密度不同，需要进行网格的加密或稀疏。这需要考虑分析对象的应变应力差异，对于几何凹凸角孔洞、两种材料连接部位、产品边界复杂区域等应力集中部位，需要进行准确分析，采取精密的网格密度来确保有限元分析结果的准确性。同时，相邻单元的应变幅度过大，会对计算结果造成影响，必须塑性成形过程中相邻单元格的梯度应控制在5%以内。如果网格过于稀疏，会使有限元分析结果的精确度下降，而过于精密的网格也会导致计算成本剧增，而且在网格密度达到一定程度时密度增加对精度的提升影响会越来越小，因此应综合考虑成本与精度，不建议最大最大的网格密度，而是选择综合最优的网格密度。
3 结语
综上所述，有限元分析是机械设计的基本方法，通过静力学分析方式可以对二维和三维机械结构的变形、应力应变进行分析计算。在机械设计中有限元分析过程中，需要准确把握有限元分析的原理和方法，了解有限元分析方法的优势和适用性，熟练操作有限元分析软件，尤其要对容差设置、量纲选择、单元选择、网格密度设置等方面做好科学分析，综合考虑各方面因素，达到分析精度与成本综合效益的最优，满足工业设计的要求，提高机械设计质量，为新产品的研发工作提供可靠的依据支撑。
参考文献：
[1]高清冉，姚亚平.机械设计的有限元分析及结构优化[J].南方农机，2020，51（21）：135-136.
[2]杨金科，杨金林.毛巾自动清洗拧干机的机械结构设计与有限元分析[J].装备制造技术，2020（08）：93-97.
[3]牟清举.机械设计中有限元法的应用分析[J].时代農机，2017，44（11）：70.
[4]经叶贵.基于有限元方法的模态机械设计分析[J].山东工业技术，2017（22）：4+2.
[5]王秋鹏.有限元分析技术在冶金机械设计中的应用[J].中国锰业，2016，34（04）：140-142.[6]王蔚.有限元技术在机械设计中的应用分析[J].科技创新与应用，2016（07）：143.