摘要：随着社会的不断发展和科学技术的进步，人类社会已经逐渐步入智能化的时代。在机械工程领域中，有限元法及CAE技术等高新科技逐渐被引入，并大幅提升机械工程的工作效率，使得机械工程行业出现了巨大的变化。本文拟对有限元法及其在现代机械工程中的应用进行分析研究，以期为进一步提高机械工程技术提供有价值的参考。
关键词：有限元法；现代机械工程；科技运用
当前，以计算机技术为核心的高新科技日益发展，并已逐渐普及到社会的各行各业，算法业已成为许多行业的重要组成部分。在此背景下，有限元法整合了传统CAE技术的优化与分析特点，实现对复杂设计问题的快速耦合场分析，以其更加快捷高效而又简易的优势，迅速成为诸多技术领域的重要算法分析工具。在现代机械工程领域，有限元法在产品设计中展现出了巨大的优势，从而成为企业竞争力的重要法码，在机械工程中的运用也越发广泛。
一、有限元法概述
（一）有限元法技术原理
有限元法起源于CAE技术，属于计算机辅助技术的一种，最初的有限元法是在变分原理的基础上形成并获得一定的发展，并且被广泛应用于拉普拉斯方程和泊松方程所描述的各类物理场中。在具体的工作实务中，有限元法通过精准高效的分析与计算，实现对复杂问题的有效处置，有利于提升相应的工作效率和成效。其基本原理主要有以下几点：
一是物体离散，又被称为“剖分”，即对分析对象进行分割处理，使其离散成多个有限单元。根据计算量的不同，单元个数也不尽相同。其中，描述的精准度和单元个数成正比。
二是对有限单元进行特征分析。在进行对对象的离散处理之后，就要对已有的单元进行优化处理。首先需选取适合的位移模式，再根据基本力学的性质对有限单元逐个分析。通过对材质位置形态这些方面的分析，初步了解节点力和节点位移的相互关系，通过关系导出刚度矩阵。最后还要计算等效节点力，再将其中的体积力和集中力表现力一同进行转移，再把完全等效节点力替换有限单元力。
三是有限单元进行组集。按照原始结构重新联结结构力自带平衡和边界条件，使其形成完整的刚度矩阵。这样就得到了有限单元的组集。
四是位移求解。首先，建立有限元方程，对各个节点实际位移求解，再根据这一结果得出未知量。有限元法属于微分方程的一种，对于求解微分方程的诸多领域都可以利用有限元法来进行分析，因此有限元法的应用十分广泛。
（二）有限元法的技术优势
有限元法最早运用于固体力学的研究，在二十世纪五十年代开始向连续体力学领域拓展，之后又逐渐延伸至热传导、流体力学等问题的研究中。与常规的力学方法相比，有限元法有着其独特的优势，即能够对复杂的立体图形进行模拟，并且可以针对非均质的结构进行系统的分析，得出比较准确的近似解。从目前的实践情况看，使用有限元法的计算机软件，基本都能够实现对工程结构的前处理及后处理，通过更加系统且标准的解答过程进行复杂计算，还可以采取图形等直观形象的方式表达计算的最终结果，从而使解题步骤和结果更加明晰。运用这种复杂的计算方式，有限元法可以对机械工程中复杂的结构、荷载等关系加以研究分析，运用各单元独立的插值函数进行分别核算，精简数学计算和分析过程，从而实现对海量的机械工程设计方案的优化调整。
（三）有限元法的技术劣势
虽然有限元法在使用领域和效率上存在着明显的优势，但也同样存在不足之处，主要体现在资源消耗及技术成熟层面。有限元法的计算过程，虽然简便且具有较好的适应性，但与传统方法和其他算法相比，需要更多的时间进行计算，并且需要消耗更多的资源。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆此外，有限元法的软件多运用了网格自适应技术，目前该项技术尚不够成熟，在使用过程中依赖使用者的经验选择网和密度，无法有效处理好无限求解的问题。而如果有限元法的使用者经验不足，或者不能很好地理解相关的软件使用及工程问题，就无法建构符合标准的模型。因此，有限元法的使用，通常需要有专业知识和工作经验的人进行使用和操作，对人才的要求相对严格。
二、有限元法在现代机械工程中的运用
在现代机械工程领域，有限元法已经得到了十分广泛的运用，对我国的机械工程项目建设与发展起着举足轻重的作用。在具体的机械工程中，有限元法主要应用于以下三个方面。
（一）机械结构的静力学与动力学分析
在机械工程中，机械结构在承载以后的应变、应力以及变形都对机械工程本身有着深远影响。因此首先有限元法可以在这一反面进行分析。首先，利用有限元法对机械生产所产出的产品结构当中各元件受力和作用力等多种方面的力进行分析，尤其是通过有限元法对二锥或者是三锥进行对机械结构负载力的分析，再利用高敏度计算机信息处理技术进行精准测量。在机械进入工作状态时，机械的各零部件同时会受到静载荷以及外界接近零部件频率共同影响，使零件发生共振现象。机械内部结构非常脆弱，共振会使内部结构发生破坏。这时需要有限元法对其进行模态分析，即利用计算机信息技术，进行网络上二维或三维空间的构图，形象化地研究机械零件的固有频率。通过自振形式的分析，来解决共振对其产生的影响。不过需要额外注意，其用到的实际载荷必须是预应力载荷或者是位移载荷。
（二）机械元件的屈曲和接触分析
在机械工程中，机械元件是整个机械的基础，直接关系到机械的质量和正常运行。机械元件在运行过程中，最容易出现问题的就是压力造成的屈曲以及不断接触下的稳定。通过有限元法的运用，对机械元件所接触的压力进行分析，研究其应变的实际成效，就是所谓的屈曲分析。通过屈曲分析，可以充分了解机械结构的临界荷载情况，确保不发生机械结构失去稳定甚至损坏的情况，进而对压杆的稳定性进行提升，避免机械元件在压力的作用下遭到破坏，进而影响到机械的整体结构。除了压力承载外，不同机械元件之间的接触和相互协调也具有十分重要的作用。机械产品不是一个单一的物件，而是由无数个元件相互接触形成的一个组合体，因而要求各个机械元件之间必须保持良好的接触。有限元法通过对元件接触性进行分析，可以发现元件之间接触的不良情况，及时加以处理，并且还可以精准计算出较为适宜的接触数据，从而为建造质量更好、更稳固的机械产品提供有价值的参考。
（三）机械工程的热应力分析
机械产品除了自身的力学需要分析外，其内外所产生的温度以及热应力也关系到机械产品的质量与稳定，因而需要通过有限元法进行相对精确的分析。在机械工程中，结构设计的温度往往都比较理想化，与实际的机械安装温度通常都会存在一定数值的偏差。如果两者之间的数值偏差超过一定的范围，既说明存在质量或结构异常的元件，也表明机械产品的整体质量不符合标准。通过有限元法对热应力的计算与分析，可以较为准确地发现产生故障的机械元件，或者出现生产缺陷的问题环节，从而为弥补问题、改进工艺提供依据，使机械工程更加科学合理。
三、结束语
现代科学技术发展突飞猛进，以计算机技术为代表的高新科技已经成为人们日常生产和生活中不可或缺的重要组成部分。从有限元法的发展历程看，算法由二维向三维，物理场由单一向耦合，都具有着新时代的痕迹与特征。有限元法在现代机械工程中的应用，使得机械工程技术取得了长足的进步，工业水平得到了有效的提升，显示出了突出的优化成效。随着未来技术的不断发展与进步，有限元法将逐渐弥补自身的不足，发挥原有的长处，更加方便、快捷、高效地进行机械工程分析，使机械工程领域的风险进一步降低，工作质量和效率进一步提升，进而在根本上消除影响和危害工程质量的因素。
参考文献：
[1]陈如伟.浅析有限元法及其在现代机械工程中的应用[J].大科技，2013（14）：337-338.
[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（6）：122-122.
论文作者:黄小勇
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; 机械工程论文; 机械论文; 元件论文; 结构论文; 技术论文; 单元论文; 《基层建设》2018年第26期论文;