摘要：随着计算机技术的应用，有限元法发展成为一种先进的分析和运算技术，广泛应用于科学计算、设计和分析过程当中，可以对许多复杂的设计和分析问题进行解答，成为工程设计的重要工具。本文分析了有限元法的优越性和发展趋势，并分析了在现代机械工程中的几届种应用，并介绍了有限元软件的发展趋势。
关键词：有限元法；机械工程；应用与发展
1研究目的
现在社会市场竞争激烈，企业为了在竞争中生存，争相开发质量高、成本低的产品，以此来抢占市场先进，要生产高质低耗的产品，必须配以技术含量高、处理速度快以及成本低的产品设计方法。
计算机技术的发展和普及，使有限元法不仅仅应用于对结构工程进行强度计算，迅速扩展到其他相关领域，发展成为一种具有实用性和效益性的数值分析方法，尤其是在产品设计和研制中具有明显的优越性，企业依靠它设计的产品具有较强的竞争力。
2有限元法的原理
2.1物体的离散化
将待分析对象离散为有限单元，单元的数量是由计算精度确定的。发果单元划分较细，则对变形情况的描述越精确，计算结果越接近实际变形，但是同时计算量也会相应增大。
2.2对单元特性进行分析
要选择位移模式，一般有限元法采用位移法，然后对分析单元的力学性质。根据每个单元的材料性质、形态、尺寸、节点数、位置等，找到单元节点和节点位移的关系公式，导出单元的刚度矩阵，再对等效节点力进行计算。将表面力、体积力等效转移到每个节点，用等效的节点力来替代作用在单元上的力。
2.3单元组集
利用结构力的平衡条件和结构条件将各个单元按照原结构进行联结，形成刚度矩阵。
2.4求出未知节点的位移
用有限元方程解出节点位移，再求出未知量。
有限元法是对常量和微分方程进行求解的方法，如果工程问题可以归结为求解微分方程，则一般都可以用有限元法进行解决，所以广泛应用于结构、热、电磁等的分析。
有限元法与其他力学方法相比具有很多的优越性，主要表现在：分析对形状复杂、非均质的工程结构进行分析；可以对各种材料本构关系、荷载进行模拟；可以对结构进行动力分析；可以对许多方案进行比较分析，用图形来描述计算结果，有利于工程方案的优化。
3有限元法的发展趋势
最初应用有限元法是解答结构的平面问题，现在已经可以解决三维问题和板壳问题，从最初的解决静力学问题发展为动力学问题，不光可以进行结构力学的分析，还可以进行流体力学、电磁学等的分析，并扩展到非线性问题，并可以对弹塑性、塑性、粘弹性以及复合材料进行分析，广泛应用于般空航天、土木工程、机械、水利、电子等领域，可以求解多物理场的耦合。
有限元法的发展离不开计算机技术的发展，计算机技术发展越迅速，有限元法的应用越广泛。过去小型机来求解复杂问题要花费几天的时间，用终端机后只用几个小时。有限元软件大多数都可以在PC机上运行。在未来有限元法的应用会逐渐扩大，会成为工程技术领域重要的数值计算工具。
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4有限元法在机械工程的应用
机械产品的设计和制造具有独特的特点，如产品的批量较大，样机试验的成本较低，相对于计算机模拟试验更加可靠，大多数机械产品可以根据类似产品进行改进设计，其性能可以参照现有的已生产产品的性能。基于以上的特点，有限元法较少应用于机械工程中，仅仅限于分析产品中的核心配件以及特殊的零件。随着市场竞争的激烈，经济效益和社会效益不断提高，机械产品的设计要越来越多的依赖于有限元法。
4.1动力学分析
这是有限元法在机械工程中最基本的分析，主要是分析二维或者三维的机械结构承受荷载后的应力、应变和变形情况。如果在产品结构上的荷载不受时间变化的影响或者受到的影响微乎其微，则要用静力学进行分析。
4.2模态分析
模态分析是动力学分析中的一种，主要是对结构的频率和自振型式等特性进行分析，进行模态分析只能施加位移荷载和预应力荷载。
4.3热应力分析
进行热应力分析时，主要是当结构的温度与安装温度不同或者结构内部有温度分布时，分析结构的温度应力。
4.4谐响应和瞬态动力学分析
这两种都是动力学分析，主要是研究周期载荷和非周期载荷对结构的动态影响。
4.5接触分析
接触分析是一种非线性分析，主要是当两个结构物发生接触后，对接触面的状态和应力进行分析。机械内部结构的传递是通过相互之间的传递来做到的，在机械结构中应用有限元法有很大部分是进行接触分析。以前的计算能力有限，对接触分析的应用不多。
4.6屈曲分析
屈曲分析是一种非线性分析，主要是当结构不太稳定时分析此时的临界载荷和屈曲模态，如对压杆的稳定性进行分析。
5有限元软件的发展
工程人员运用有限元法进行分析时，大多都会采用商用有限元软件来进行分析和运算，但是自行开发的很少，都是购买软件进行使用。商业有限元软件的开发质量关乎有限元法的应用深度。现在大型的有限元软件较多，这些有限元软件有具有成熟的事前处理、事后处理和运算能力，可以满足很多产品的开发需求，但是也存在着一些不足，如模拟的真实性有待提高，适应性较弱等。计算机技术的发展和越来越多样化的工程要求，对有限元软件提出了新的要求。为了满足工程要求的需要，未来有限元软件的发展趋势主要有以下方面：
5.1从单一的物理场研究转向多物理场的模拟和相互作用模拟发展
举例说明，如果在一个很高的铁塔上流过气流，铁塔受到气流的影响会发生变形，变形会使气流的流动有别于原来的轨迹，就要进行结构—流体整合分析。
5.2由零件的模拟向整机的模拟发展。
5.3提高非线性问题的求解能力
材料力学的发展，出现了许多性质不同的新材料，新材料的不断出现迫使非线性求解的功能要更完善，求解能力要不断提高。
5.4有限元的分析功能不断完善，同时也要朝着优化设计、可靠性分析以及综合评估这几个方向综合发展。
5.5逐步加强和实际设计制造过程的集成和数据转换，向计算机辅助设计CAD/CAM无缝化集成的方向发展。用CAD软件进行产品的造型设计，自动生成有限元的风格并进行运算，如果有限元的分析结果达不到设计的要求，则重要用CAD软件进行设计。
5.6朝着智能化、便捷化的二次开发和友好化方向发展，使前处理具有可视性，后处理具有数据处理和输出功能，使使用者花费较少的时间进行数据的准备和结果的处理。
6小结
有限元法随着计算机技术的发展和普及得到了迅速的发展，已经从单纯的产品结构分析、静力学分析、线性分析扩展到解决三维问题和板壳问题、运算动力学问题、进行流体力学、电磁学等的分析、非线性问题，并可以对弹塑性、塑性、粘弹性以及复合材料进行分析，广泛应用于般空航天、土木工程、机械、水利、电子等领域，可以求解多物理场的耦合。应用有限元法可以提高企业的设计能力，对设计方案进行优化，产品的开发周期也可以相应缩短。现在越来越多的企业认识到有限元法的巨大生产力，在进行产品开发时更多的应用有限元法，取得了较好的产品设计效果。在未来有限元法必将有更广泛的应用。
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论文作者:叶卫文
论文发表刊物:《基层建设》2016年19期
论文发表时间:2016/11/29
标签：有限元论文; 结构论文; 进行分析论文; 单元论文; 节点论文; 产品论文; 机械论文; 《基层建设》2016年19期论文;