摘要：随着计算机技术的广泛应用，兴起了一种非常先进的CAE技术——有限元法，各个行业中所涉及到的科学计算、设计以及分析过程中有限元法得到了大范围使用，在设计和分析过程中存在的很多非常复杂的问题都通过有限元法迎刃而解，其已经在工程设计和分析中占据了非常重要的地位。在有限元法基础原理的基础上对有限元具备的优越性进行了分析，对有限元的发展方向进行介绍，研究了现代机械工程中对有限元的应用情况。
关键词：有限元法；机械工程；应用
1研究目标
为了帮助企业在竞争如此激烈的市场环境下获得竞争优势，研发出高质量、低技术、低成本的设计方法是企业目前需要抓紧时间执行的一项工作。
随着计算机技术在现代社会的快速发展和普及，有限元法从分析结构工程强度迅速发展到几乎涉及到所有科学技术行业的范围，变成一项丰富多彩、使用性广泛并且拥有高效实用分析数值的方法，无与伦比的优越性是有限元在产品设计可研发过程中充分体现的优势，这也是企业在市场竞争过程中成功的重要技术。
2有限元发的基本原理
2.1分析有效元的基本步骤
2.1.1物体离散化。利用物体离散化把将要进行分析的对象划分出几个单元，计算精度决定单元数量。普遍情况下，单元数量划分的越多越能将变形情况进行精确展现，也就和实际变形越接近，但是也会增加计算量。
2.1.2单元特性分析。第一个流程就是选择位移模式。位移法是有限元法经常使用的方式，所以在此过程中应该选择科学合理的位移模式。然后对单元的力学形式进行分析。寻找单元节点力和节点位移关系式要建立在对单元材料特性、形状、尺寸、节点数目以及位置和含义进行充分了解的前提上，也就是说要将单元矩阵单独导出来，在分析中这属于非常关键的一步。最后对等效节点力进行计算。要将表现力、体积力或者是集中力从单元边界等效的转移到节点上，也就是说所有作用在单元上的力有等效节点力来代替。
2.1.3单元组集
要将每个单元根据原来的构造进行重新连接就需要对结构力的平衡条件和边界条件进行利用，从而形成主体的刚度矩阵。
2.1.4求解未知节点位移
节点位移数值需要在有限元方程中进行求解，所有的未知数据都要按照节点位移来进行解答。
总体来说，求解常、偏微分方程的一种有效方法就是有限元法。从理论上来讲，微分方程所有工程问题全都是有限元法来解决的，所以，结构、热、电磁、流体、声学等都可以通过有限元法来分析。
2.2相比其他普通力学方法，有限元法具备的优越性
①复杂、不是均质的各种实际工程结构都可以通过有限元法来分析；②各种繁杂的材料本构关系、荷载和标准都可以借助计算机模拟出来；③可以对结构的动力进行分析；④由于前处理和后处理技术的不断发展，可以对比分析大量方案，从而所的计算结果可以及时通过图形展示出来，从而可以优化工程方案。
3有限元法的发展趋势
对结构平面问题进行求解是有限元法最初应用范围，发展到今天，已经从二维问题上升到三维问题、板壳问题，从静力学问题发展到动力学问题、稳定性问题，从结构力学扩展到流体力学、电磁学、传热学等科目，从线性问题发展到非线性问题，由弹性材料扩展到弹塑性材料、塑性材料、粘弹性材料以及复合材料，从单一的物理区域求解扩展到多种物理场的耦合，其在深度和广度上都获得了大范围拓展。
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实现有限元和计算机技术紧密连接是有限元今后的发展方向。有限元法只有在计算机技术飞速发展滞后才会得到广泛使用。在过去，小型机要解答一个复杂问题需要耗费好几天的时间才能得出结果，而现在，同样的工作，PC机几个小时就可以解决。商业性质的有限元软件只能在大中型计算机上应用，转入到PC平台之后大多数都能使用。据估测，有限元发的应用率随着计算机技术的进步和发展还会进一步拓展，会成为工程技术中最重要，最有力的数值计算方式。
4有限元法在机械工程上的应用
因为在对机械产品进行设计、生产、试验环节具备以下几个特点：①机械产品批量普遍较大。因此，在设计制造过程中可以不断积累经验。②一些机械产品的样机试验成本相对较低。而且和计算机模拟实验相比更可靠一些。在实际过程中。③有一大部分机械产品和其构建在进行改进和相似性设计过程中基本上都是根据其现有同类产品及零件儿来进行。在对现有产品和零件进行参考的过程中可以看出其性能。
所以在机械工程中有限元法并没有得到广泛使用。有限元在一般情况下，只会对产品的关键件重要件儿或者是一些特殊的零件儿来进行分析。但是随着行业竞争的不断激烈和对经济社会和环境效益要求的不断提高。有限元技术在今天机械产品设计过程中为其提供了很大的支持力度。
目前，机械工程在对有限元法进行使用过程中主要体现在以下几个方面：①静力学分析。在机械工程中分析二维或者是三维的设备构造承载后所体现出来的应力、应变和变形情况进行分析是有限元法最基础、使用次数最多的分析种类。当结构上的载荷不随着时间的变化而变化或者是在变化过程中反应不灵敏的情况下，就需要利用有限元法对其进行静力学分析。②模态分析。动力学分析包括模态分析。其主要作用就是对结构的固有频率和自振型式等振动特点进行研究。位移载荷和预应力载荷属于进行模态分析过程中的两种载荷方式。③热应力分析。当运行温度和安装温度存在差错、或者是工作期间结构里面存在温度以及结构内部的温度适应力是热应力分析的主要研究范围。④接触分析。接触分析属于一种非线性状态分析。当两个结构物体发生接触的情况下接触面所反应出来的状态和法向力主要通过接触分析来进行。因为在机械结构中接触是实现结构和结构之间力传递的主要方式，所以在机械机构中应用次数最多的就是有限元的接触分析。但是，因为之前受到计算能力的限制，因此对接触分析的使用并不多。⑤屈曲分析。几何非线性分析包括屈曲分析，当结构变成临界载荷和屈曲模式形状这种不稳定形状时就要使用屈曲分析，例如压杆稳定性问题。
5有限元软件的发展方向
有限元软件儿在今后的发展过程中主要具备以下几个特点：①从研究单一物理场开始向综合模拟多物理场以及相互作用模拟的方向进行改变。例如当气流经过一个非常高的铁塔时，这个时候铁搭就会出现变形的情况，而塔的变形又会对流动中的气流造成影响。因此这时就需要对流体祸合分析法进行分析。②发展方向开始由模拟单一零件向模拟整机方面开展。③对于非线性问题的求解能力要进行进一步提升。材料科学进步期间，研发出了很多性质比较特殊的新材料，因此需要对现有的非线性求解工具功能进行完善。④对设计进行优化、对可靠性进行分析和其它综合评估功能相结合的发展方向需要建立在对有限元分析功能不断进行完善的基础上。
结束语
目前对有限元法一直处于不断发展和摸索阶段。企业的设计效果、设计方案的优化、缩短产品的开发周期等都在使用有限元法过程中得到提升。CAE技术被越来越多的公司和技术人员意识到其富有的强大生产力，并且积极主动的将有限元法这项技术应用到研发产品的过程中，并且获得了非常好的效果。因此我们相信有限元法在短时间内肯定会发生大突破。
参考文献：
[1]龚光军，董玉德.有限元法及CAE技术在现代机械工程中的应用探析[J].西安文理学院学报（自然科学版），2017，20（06）：36-39.
[2]常豆豆.机械设计中有限元法的应用[J].南方农机，2017，48（20）：67.
[3]孙建民，徐冰晶.有限元及其在现代机械工程中的运用[J].科技与企业，2015（12）：184.
论文作者:谢平
论文发表刊物:《基层建设》2018年第26期
论文发表时间:2018/10/1
标签：有限元论文; 过程中论文; 结构论文; 单元论文; 节点论文; 机械工程论文; 位移论文; 《基层建设》2018年第26期论文;