有限元法及CAE技术在现代机械工程中的应用

[摘 要]现代社会对机械提出了更高的要求，更加讲求操作的高可靠性与运行的高效率性。随着科技的进步，各种现代技术已经成功运用到现代机械工程中，促进了机械工业的发展，也导致机械工程的规模越来越庞大。如今，有限元法与CAE技术已经在现代机械工程中应用中发挥着重要作用。本文简述了有限元次与CAE技术概念，并结合两种技术的发展现状，探讨了融合技术在现代机械工程的具体应用。

[关键词]有限元法； CAE技术；现代机械工程

中图分类号：R374 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）04-0316-01

随着技术的不断发展，当前世界主流的通用软件都强化了计算机辅助概念。通过计算机的强大运算分析功能，更多复杂工程或产品的力学性能被准确全面的分析计算，也同时更好的优化了结构与性能。基于有限元方法的CAE技术成为了更多人的新宠，也为现代工业的发展带了日新月异的技术创新突变。

1 有限元法及CAE技术概念

CAE，全称为Computer Aided Engineering。作为一种采用计算机系统为主要平台和载体的数值分析处理方案，CAE技术能够帮助现代工业中越来越多复杂结构的工程与产品，实现对具体力学性能的分析与处理，并且不断完善结构、优化性能，尤其在产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、弹塑性、热传导、三维多体接触等方面作用突出。

有限元方法的核心理念是充分运用数学理论，采取无限近似的处理手段，模拟实际存在的物理实体各系统状况，力求通过简单问题的解答就能得到对复杂问题的求解，通过整理彼此间特定关系的要素集，掌握无法准确探知的无限未知系统。因可以探知的单元数是可见的、有限的，因此冠之以“有限”概念。通过这样的分析思想我们知道，如果尽可能拓展单元数量，就能让分析解集更加全面且精准，从而与无限系统的真实情况更加贴近。

2 有限元法及CAE技术发展现状

目前，在现代机械生产领域人们广泛关注有限元方法同CAE系统的技术优势，力求加强研发，在更多环节引入该技术提高计算机辅助开发的质量和效率。由于计算机的强大计算能力，有限元方法同CAE系统能够随着计算机的运行实现对不同对象数据精准且高效的计算、设计、分析等，不断降低各种复杂设计难度，并将具有理论难度的问题分解成可以灵活解决的分支问题，从而为机械工程带来了更大的便利性。

传统的机械工程领域中，产品设计与生产往往凭借工程师的人工智慧与工程经验。多数的产品的结构与其中零部件的构造，基本通过设计图稿的方式完成制作，并且通过样品加工检测后再进行调整和改进，这样的操作模式无疑体现出效率不高、成本较大、周期较长、产品设计创意灵感不足等问题，在资源投入较大的情况下，并不见得能够取得较好的经济收益。\用有限元法和CAE技术后，机械工程的产品设计与生产完全借助计算来完成，人工劳动强度大大降低，同时减少设计流程中的不必要环节，极大提升了设计生产效率，为企业的经济效益争创不少。有限元法和CAE技术环境中的设计过程，就是同时也是不断模拟与改进的过程，能够将几道工序综合进行，在模拟的环境中确保了产品的实际用途与产品质量，对整个机械产业的发展都起到了极大的推动作用。

纵观现阶段有限元法和CAE技术应用下的CAE软件发展，不难看出在现代或未来很长时间内，该技术都有乐观的发展前景：首先表现在能够无缝集成CAD技术，使得大量通用CAD软件在设计好机械零部件结构造型后可直接进入CAE软件开展有限元分析，利用分析结果进行校准与优化，提升了设计水平和效率。其次网格处理能力增强，有限元法将在分析对象的离散化、有限元求解、计算结果处理等方面表现出更大的优势。第三是可以解决大量非线性问题。

3 有限元法和CAE技术在现代机械工程的具体应用

3.1 静态力学分析

静态力学分析，是现代机械工程中应用有限元法与CAE技术的重要表现，主要是加强对相关产品的形态结构中各种零部件受力分析，或就不同组件之间的作用效果进行分析，从而准确把握各种作用力的大小与方向。对呈现微弱变化趋势的静态力学，有限元法和CAE技术能够通过在计算软件中加载必要的机械二维或三维结构，展开合理的荷载力学分析。采用一般的测量方法，显然无法对机械结构上存在的不明显变化荷载力进行有效捕捉与分析，实际检测的结果存在较大偏差，但在基于有限元分析法的CAE技术中，计算机能够通过高灵敏度的数据处理对客观存在的力学展开准确全面的分析。

3.2 模态分析

模态分析是十分重要的研究现代机械结构动力特性的有效方法。该理念体现了在工程振动领域所取得的技术成果。模态分析同样由有限元计算方法来加强技术突破。现阶段的现代机械工程中，人们要掌握机械结构的固有频率特性，就需要利用有限元法与CAE技术，在计算中开展计算模态分析或试验模态分析，利用软件在二维空间或三维空间中布图，从而通过形象化的产品结构描述，来看模态中的特定固有频率、阻尼比或振型等各种过程参数。通过模态分析，将积极掌握机械产品不同结构的动态特定，便于加强设计优化提高质量，积极排查结构隐患故障，不断识别结构负荷，确保机械工程的稳定与可靠。

3.3 谐响应分析和动态力学分析

为了能够准确分析机械结果的静态受迫振动，并努力规避因共振、疲劳振动等受迫振动所引发的不良后果，谐响应分析法借助有限元方法和CAE技术重点对机械结构稳态响应进行分析，这些响应可能关系随时间变化而发生正弦波动的载荷对机械结构的影响。对动态力学分析而言，同谐响应一样，能够对机械产品的零部件设计结构进行准确的受力分析，从而掌握发生在机械结构中的周期性或非周期性载荷情况，加强对机械性能的精准测试，提高机械操作中的精准度与高效性。

3.4 热应力分析

当前，机械工程技术领域越来越重视热应力问题的求解，从而在如内燃机、蒸汽轮机、燃气轮机以及核动力工程等机械部件加强设计研究。在引入有限元方法和CAE技术后，热应力分析能够更好地处理特殊热传导现象的分析。如针对某机械结构的工作温度与装备温度，一旦两种温度出现不一致，则代表机械结构存在一定的质量装备或设计问题，可用热应力分析在找出问题起因，同步完成对不同元器件的热能感应分析，使得整个机械装置元器件的温度可见且可控，便于管理。

3.5 屈曲分析

现代机械工程中的屈曲分析，就是重点研究机械结构中不同元器件能够保持稳定性的受压分析，并且确定受压环境下发生稳定状态变化的临界效应。运用有限元法与CAE技术后，屈曲分析能够更形象地快速完成对机械元器件在遭遇重压下不稳定状态变化的分析，得出可以实现最优稳定性的临界载荷与屈曲模态形状，提高机械零部件的抗性与耐压力。

结束语

有限元方法是一种快速有效的检测工件结构与性能的科学方法，随着与CAE技术的深入结合，并在吓呆机械工程中广泛推广应用，必然能够为提高机械工程产品的实际生产质量提高可靠地帮助，同时也能够快速增强结构设计水平，为企业赢得更大的经济效益。相信随着有限元法与CAE技术的研究开发，机械工程的科学含量必然再次提升，不断推动我国机械工程企业的快速发展。

参考文献

[1] 郝敬林.探讨有限元法及CAE技术在现代机械工程中的运用[J].工程技术：全文版，2015（12）：00262-00262.

[2] 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）：184-184.

[3] 李芬玲.有限元法及其在现代机械工程中的应用[J].四川水泥，2016（5）：114-114.