摘要：在冶金行业，机械设计是一个重要环节，直接影响机械的制造质量。如何降低误差，提高设计的准确性、精细化，成为从业人员的关注重点。本文首先指出有限元分析技术的应用优势和特点，然后介绍了在冶金机械设计中的具体应用，最后分析了相关应用实例，以供参考。
关键词：冶金机械；设计；有限元分析；应用优势
有限元分析，指的是利用数学近似法，对物理系统进行模拟，能将一个复杂的大问题分解为多个简单的小问题，并对每个小问题进行推测和解答。如此得到的结果，既能满足整体定义域的条件，又能提高计算结果的准确性，将其应用在冶金机械设计上，可以实现精细化控制目标。以下结合工作实践，针对该技术的应用进行探讨。
1．有限元分析技术的应用优势和特点
1.1 应用优势
在机械设计中，数字样机技术的应用，就是将计算机和分析过程相融合，通过验证获得测试结果。如果结果满足标准要求，就进行下一项测试；直至所有测试项目均合格，即可进行生产。在此基础上，利用有限元分析技术的优势如下[1]：①缩短生产时间，机械设计建模在计算机上完成，能及时调整数据参数，确保模型满足设计要求，不仅提高生产效率，还能延长使用年限。②降低费用成本，有限元分析技术依赖于计算机，只需一次投资购买相应的系统和软件即可，后期维护成本低，因此有利于费用控制。③提高产品质量，有限元分析能对设计过程进行调整和优化，最终提高产品自身质量。
1.2 应用特点
在冶金机械设计中，有限元分析技术的应用特点如下：第一，和CAD软件无缝衔接。在设计期间，首先利用CAD制图软件对零部件进行设计和改造，然后将数据传输至软件模型上，使用专业软件对模型数据进行计算分析，评估分析结果。如果结果满足标准要求，即可提交最终数据；如果结果和标准要求有差距，就需要再次进行调整，直至满足要求。CAD制图软件和有限元分析技术相结合，能完善数据分析流程，实现数据的准确传递。第二，能解决非线性问题。随着冶金行业的快速发展，利用线性理论难以满足实际生产需求，容易出现资源破坏、材料浪费等问题[2]。非线性理论应用起来比较复杂，对专业技能要求高，利用有限元分析技术，可以解决这些难题。第三，具备网格处理技术。有限元分析技术的应用，主要处理离散化对象、简单求解、结果分析等。其中，离散数据和网格质量具有相关性，多数软件分析数据时难以满足要求。基于此，对网格进行重新分割和组合，能提高网格处理能力。
2．有限元分析技术在冶金机械设计中的具体应用
2.1 模型简化处理
有限元分析的应用，是建立在计算机模型的基础上，模型构建的越精细，有限元分析结果越准确。冶金机械设计模型普遍比较复杂，要想对模型进行简化处理，首先要判断两点：①属于线性结构或非线性结构；②属于动力学问题或静力学问题。完成判断后，选择合适的处理方法，最终得到结果。举例来说，如果关系式和时间相关，就可以按照动力学问题进行计算求解；选择具体处理方法时，不能采用振型叠加法、富里哀级数。
对机械设计模型进行简化时，应该分析细部结构，依据力学概念知识体系，准确掌握杆、板、三维图形的特征，明确相关限制条件，提高简化模型的精准度，为后期计算创造有利条件[3]。结合以往经验，简化过程的常见误区如：采用不抗弯的膜代替抗弯的板；采用杠杆结构代替梁体；采用轴对称球体代替三维块状体等。如此简化，会造成模型计算误差，提示技术人员重点关注。
2.2 缩小解体规模
冶金机械零部件众多，而且形态各异，在有限元分析时，应该详细分解为各个结构，形成简单的小单元。但是，考虑到整体结构中的小节点众多，因此方程式规模大，利用计算机进行计算时，需要耗费大量的时间和资金。对此，在满足求解准确性的前提下，如何降低费用，成为技术人员的重要研究课题。随着研究深入进行，这方面目前已取得进展，即利用结构的周期性、对称性，来缩小解体规模，将整体结构分解为简单的、有联系的小单元。
以发电机为例，设计时包括转子、定子、叶轮等诸多零件，按照常规分析模式，需要对各个零部件进行分析，需要投入大量的人力、财力和时间，而且难以保证精准度。但是，利用结构的周期性和对称性，会发现模型中存在较多重复零部件，只要分析其中一个，即可得出相应的结果。以多重静力子结构、多重动力子结构为例，可以减少分析费用。此外，在大型工程上还可采用钻心技术，首先利用粗网格模型分析整个结构，然后对局部进行细化分析。如果计算结果、设定结果之间有差距，就要对具体零件进行细致分析；以粗分析结果作为边界条件，进一步得出精准求解，以满足设计标准要求。如此操作，只针对局部区域进行分析，不仅能减少计算量，而且提高了计算精准度。
2.3 优化设计方案
以往冶金机械设计工作中，不仅需要大量的设计资料，也对设计人员提出了较高要求，要求具备扎实的理论知识和丰富的设计经验，如此才能设计出满足要求的产品[4]。但是，这种设计模式无法有效提升产品性能，而且会耗用大量的研发经费。有限元分析技术的应用，一方面提高了计算效率，减少人力、物力的投入；另一方面能缩短设计周期，增加企业的经济效益。随着科学技术的发展，在机械设计中应用有限元分析技术，成为增强企业综合竞争力的必要途径，通过优化设计方案，提高我国冶金机械行业的整体水平。
3．有限元分析技术的应用实例分析
3.1 应用现状
在冶金机械设计中，有限元分析技术的应用如下[5]：①静力分析，应用对象如烧结混料机、带式烧结机的新型星轮、烧结机台车卡轮轴承等；②振动分析，如轧机液压响应特性、振动筛结构优化等；③热分析，应用对象如热风阀温度场、烧结机关键零部件等；④刚体动力学分析，如带式烧结机力学分析与仿真；⑤疲劳分析，如连铸钢包回转台疲劳强度分析、张力辊三维有限元分析等；⑥流体分析，如微波加热流体动态模拟；⑦非线性分析，如炉壳孔洞应力弹性分析。
3.2 应用实例
以环冷机卸料曲轨刚体动力学分析为例，首先利用球面方程公式，计算得出曲轨的曲线点坐标，从而形成空间曲线。然后经扫描建成曲轨模型，压缩部分台车零部件的模型特征，简化水平轨三维建模，如下图1。最后向台车施加力，要求方向和引力一致，并且大小随着时间变化，用来模拟卸料过程。此时，在软件中可以看到车轮、曲轨的接触情况，判断台车在升降过程中是否车轮架空，最终评估曲轨设计是否满足应用要求。
图1：台车零部件的三维建模示意图
结语：
综上所述，在冶金机械设计中，应用有限元分析技术，能缩短生产时间、降低费用成本、提高产品质量。实际应用中，不仅能和CAD软件无缝衔接，而且能解决非线性问题，具备网格处理技术。文中从模型简化处理、缩小解体规模、优化设计方案三个方面，介绍了有限元分析技术的具体应用，希望为机械设计工作提供经验借鉴，促进冶金机械行业长远发展。
参考文献：
[1] 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，（4）：140-142.
[2] 刘勇.钢包热机械综合应力的仿真研究[J].重型机械，2017，（5）：31-34.
[3] 刘燕平，涂德林，郭金溢.冶金机械设计要点之我见[J].科技信息，2014，（1）：85-86.
[4] 李志刚，胡国良，贾慧芳等.基于有限元分析的大型回转窑等载同轴优化[J].机械科学与技术，2014，（8）：1197-1202.
[5] 王少江，李学明，张安鹏等.大型焊接齿轮与轴过盈配合有限元分析[J].煤矿机械，2015，（5）：134-136.
论文作者:石世海
论文发表刊物:《基层建设》2018年第10期
论文发表时间:2018/5/31
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