【摘 要】有限元法是跟随信息技术的广泛运用而迅速发展的新型CAE技术，可用于多种类型的科学运算与探析。本文首先介绍了有限元法的操作步骤和优势，阐述了有限元法的发展现状，然后分析了有限元法在现代机械工程方面的应用，最后探讨了有限元软件未来的发展趋势。
【关键词】现代；机械工程；有限元法；应用
在目前社会经济迅速发展的趋势下，市场竞争愈演愈烈，为了在竞争中获取最大的优势，许多企业都在争先恐后地研发高质量、低投入的商品，以求在短期内占领市场。当前大环境下计算机技术越来越普及，有限元法也由本来的工程强度计算解析拓展到更多领域中，变成了形式多样、运用广泛的高实用性数据解析法。有限元法对于产品设计与研发，都有着明显的优势。
一、有限元法的操作步骤和优势
（一）物体分散化
把需要解析的目标分散成有限的单元，单元数目依据实际需求及运算精确度而定。通常情况下，单元分散得越细致，对其变形情况的描绘就越准确。而越是接近其实际变形值，则运算量就越大。
（二）单元特征解析
解析单元特征首先是要选取位移方式。在有限元法的运用过程中，一般采取位移法，也就是先挑选合适的位移方式或称位移函数，接着探析单元的力学性质，再结合单元的材料性能、外观、大小、节点数量、方位、内容等，找到单元节点力以及节点位移之间的关系式，即引出单元强度矩阵，这也是解析过程中最为核心的一个环节。最后，对等效节点力进行运算，把单元边界上的所有表层力、体积力、汇集力等，全部均匀地移动至节点之上，换句话讲，就是以等效节点力替换当前作用在单元上的力。
（三）单元组合
运用结构力学中的平衡条件与边缘条件，将每个单元按照其本来的构造重新组合起来，最终形成具有一定强度的整体单元矩阵。
（四）计算未知节点的位移情况
解出有限元方程，计算出节点的具体位移情况，最后再依据节点的实际位移算出所有的未知数据。
总的说来，有限元法是计算常微分和偏微分方程的有效途径。从理论层面看，只要是可以划分为解算微分方程的相关工程问题，都能够采用有限元法进行处理。所以，有限元法能实现构造、热能、电波、流体、声学等领域问题的计算和解析。
有限元法和其他常规力学解析法比起来，具备很多优势。第一，能够解析外观极为复杂的、质地不均匀的各类现实工程构造。第二，能够在运算过程中重现各类繁杂的材料本体构造关系、负载与条件。第三，能够实现构造的动能解析运算。第四，随着前处理与后处理技术的迅速发展，有限元法已能够对大量方案进行对比解析，并能在短时间内以图形的方式呈现出运算结果，据此对工程方案实行进一步优化。
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二、有限元法的发展现状
有限元法最开始是运用于解决构造的平面问题，而发展到今天，已经从二维问题的处理拓展到三维问题的处理，从静力学角度延伸到了动力学角度，从构造力学扩充为流体力学、热能学、电磁学等领域，从线性问题转变为非线性问题，从弹性原料拓展到弹塑性、粘弹性、复合原料等。从航空技术层面拓展到土木工程、水电工程、机械制作、电子技术等，从单个物理场运算拓展为多个物理场运算。在发展过程中，有限元法的深度与广度都得到了很大的提升。
有限元法的发展历程和计算机技术的应用关系密切，只有先让计算机技术广泛普及开来，才能够实现有限元法的迅速发展。对于一个较为复杂的方程问题，曾经要利用小型计算机耗费几天时间才能算出结果，而现在运用PC机，只要数小时就可完成。商业有限元软件原本只能在大中型计算机上运用，而如今也能够在PC平台上顺利运行。可以预见，随着信息技术逐步发展，有限元法的运用范围还会继续扩大，最终成为工程技术领域最为有效的数据运算工具之一。
三、有限元法在现代机械工程方面的应用
机械产品的设计、制作具有以下三大特征：第一，普通机械产品一般是批量生产，数量较大，在操作过程中可以不断改良。第二，许多机械产品样机的试用成本不高，且相较于计算机模拟实验而言更为稳定。第三，大部分机械产品和零部件都是在目前已有的同种产品和零部件基础上实行修改或相似的设计。因此，有限元法在机械工程中的运用相比之下并不多，通常情况下，有限元法只是针对产品内部的重要零部件或是具有特殊性的零件实行有限元分析。然而，目前市场竞争越来越激烈，如今的机械产品设计与制作已经无法脱离有限元法的支撑。现阶段，有限元法对于机械工程领域的运用主要可以分为以下几类。
（一）静力学分析
这类分析是对二维或者三维机械构造所承担的应力与变形情况的解析，是有限元法在机械工程领域最根本，最实用的解析方法。如果施加在构造上的负载力不会随着时间推移而变化，或是变化极为缓慢，就可以采用静力学进行解析。
（二）模式分析
这种分析法也是动力学解析法的其中之一，主要用于研究构造的自有频率等震动特征。运用模式分析法进行解析时，所承担的负载力必须属于位移负载或是预应力负载。
（三）热应力分析
热应力分析主要可用于探究构造的温度。当构造温度与装置温度出现差异，或运作过程中构造内部温度不均时，就可以采用热应力分析法。
（四）接触分析
这种分析法属于非线性分析，能够用于分析两个构造物产生碰撞时的接触面形态、法向力等要素。在机械构造中，其基本构造和间力的传输大多是利用触碰而得以实现，因此有限元法在机械构造领域的运用通常都可采用接触分析法。
（五）屈曲分析
屈曲分析属于几何非线性解析法，能够用于判断构造出现不稳定现象时的极限负载力与屈曲模式状态，比如压杆稳定性等有关问题。
四、有限元软件未来的发展趋势
工作人员在利用有限元技术进行数据解析时，通常是运用商业有限元软件。所以，商业有限元软件的质量会直接影响到数据解析的效果。目前已开发了许多大型商业有限元软件，而这些软件大部分都能够有效计算出前处理和后处理的结果。但是，仍有一些软件缺乏较高的模拟性、真实性和适用性，当前计算机技术的飞速发展以及新型工程需求的提高，使得有限元软件市场的竞争更加白热化，要面对这一系列挑战，有限元软件在未来的发展趋势应包括如下几点：第一，从单个物理场探究转为多个物理场联合模拟与相互作用探究，比如，气流流经一座较高的铁塔，该铁塔可能会变形，而铁塔变形又会影响到气流的动态，所以要采用构造—流体的综合解析。第二，从单个零部件模拟转变为整个机械的模拟。第三，提升非线性问题的处理水平。材料科学逐步发展，研制出了许多性能较为特别的新型材料，而目前已有的非线性解析工具还亟待进一步改善。第四，在有限元法持续改良的前提下，朝着优化设计、稳定性解析以及其他功效评测的方向前行。第五，强化设计和制作过程中的数据集合与转变，朝着CAD/CAM联合集成的目标发展，也就是在CAD软件上进行外观设计，自动组成有限元网格并展开运算，若解析结果不能满足设计需求，则可以进行再次设计。第六，朝着智能化、本地化、便利化的方向发展，继续强化前处理与后处理过程中的可视化功效与数据传输功效，降低数据处理所需的时间，提高操作效率。
结束语
从目前看来，有限元法依旧处在探索和初级发展阶段，合理运用有限元法，能够提升企业设计效率，改良设计方案，推动新产品开发进度。现在，已经有许多企业与相关人员对有限元法引起了重视，认为有限元技术能够带来极大的生产力，并且在实际操作过程中有效利用了有限元技术，获得了可观的成效。由此可见，有限元法在未来的运用还会出现较大的突破。
参考文献：
[1]孙海霞，戴京涛，唐仁刚.有限元法在机械工程中的应用与发展[J].科技创新导报，2011，03：84.
[2]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.
论文作者:刘均勇
论文发表刊物:《低碳地产》2016年第3期
论文发表时间:2016/10/10
标签：有限元论文; 单元论文; 位移论文; 节点论文; 机械工程论文; 过程中论文; 机械论文; 《低碳地产》2016年第3期论文;