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摘要：在现代机械设计领域，有限元分析技术占据着非常重要的地位。有限元分析法在机械设计中的应用打破了传统设计中存在的不足，更好的满足了机械设计对于不同材料、不同结构的需求。本文对有限元分析法在机械设计中的应用展开了分析，这对于提升机械设计企业的市场竞争力具有重要价值。
关键词：机械设计；有限元分析技术；应用实践
机械设计是对机械的结构、原理、部件、形状及尺寸等内容通过正确的计算及分析进而转化成的实体描述，是为后期制作提供依据的重要前提。机械设计是机械投入生产的关键环节，机械设计中数据的可靠与否直接影响到实物的使用性能。随着时代的发展，人们在机械工程设计中有了新的提升，伴随着不同技术的出现及应用，使其设计的质量得到了不断的优化。有限元分析法则是在机械设计领域中最为常见的技术。
1 有限元分析技术在机械设计中的优势
有限元分析早在几个世纪前就已经被提出并应用，随着计算机技术的发展促使了有限元分析技术的广泛普及，甚至已经拓展到了几乎整个科学技术领域。有限元分析方法的广泛应用促使了众多应用软件的开发，多数相关的软件都可以满足开发产品的需要。有限元的软件具备一个内容丰富的资料库，可针对不同类型或结构的材料进行分析处理，与此同时还与众多CAD 系统相互连接，在运用CAD 软件进行部件或模型的制作的问题上变得更加便利，有限元的软件中关于网络划分技术可与有限元分析相互融合，可以尽最大的程度满足工程设计的需要，有效的提高了工程设计的效率。
有限元分析技术在数值计算的精度上要高于其他计算法，并且可以适用于不同种类的复杂形状，具有着非常实用的高效性，是其他分析技术不能比拟的，与此同时，该项技术的高效性可以为相关企业设计的产品缩短研发的时间，并有利于其他不同的优化手段实现产品的最优设计，还大大减少了成本开发的费用。机械设计本身就是要求较高的工程设计领域，配合有限元分析技术的应用存在着必然的优势。
2 有限元分析法在机械设计中的应用过程
2.1 模型简化和单元格划分
有限元分析法在机械设计中的应用必须遵循一定的步骤，这是有限元分析法有效应用的重要支撑。如果不能严格遵守这一步骤，那么有限元分析法在使用过程中，就可能起不到应有的效果。有限元分析大的精髓就是对于复杂问题的分解，通过对复杂机械设计问题的分解，能够进一步简化设计建模过程，从而降低机械图纸设计中的工作量。
对于单元格的划分工作，简单来说，就是将机械设计划分为一个一个单元格，然后再对每一个单元格的内容进行设计。这种设计方案可以能够帮助设计人员理顺思路，使他们从杂乱的数据中找到相关规律。需要注意的是，在对单元格进行划分时，必须要按照机械设备的结构来进行划分，不同的机械设备模型相对应的数据也是存在非常大差异的，不能够进行直接套用。
2.2 计算荷载情况
在完成模型简化之后，工作人员就需要正式开始机械设计的计算步骤。荷载的计算精准度直接关系到机械设计方案的合理性与有效性，目前，有限元分析法大多数都是应用在承载力较大、结构复杂的机械设计中，如果机械载荷计算出现问题，那么可能会引发灾难性的后果。
2.3 对机械几何特征进行定义
在对机械进行设计的过程中，一定要根据机械的几何特征，对相应的模型进行制作，因此，对于几何特征的定义十分重要，例如，机械模型个别零件的变力、厚度、应力等情况的分析和研究，对不一样的机械类型，也会有不一样的要求，因此，设计工作人员在实际的设计过程中，需要结合机械设备的类型来对其几何特征进行定义和分析。与此同时，还需要重视对机械设备所用材料特征的分析，尤其是在设计和使用中起到关键作用的材料性能参数，必须要详细的进行了解和分析。如果所使用的材料性能变化曲线为非线性变化，那么就需要把它的应力变化数值导入到计算机进行分析和研究。最后，通过计算的工作部分，对不同的模型给予相对应的参数信息。
2.4 定义好单元类型和作业
对于那些定义好之后的机械模型，在具体的作业当中，也要进行相应的的处理工作。对于那些相对比较复杂的机械模型类型，需要运用到初始载荷的定义内容，最后，还要对具体的设计结果以及操作类型进行研究，在这个过程中，要善于利用计算机进行不同单元类型的定义工作。
3 机械设计中有限元分析技术的应用实践
传统的机械设计方法之所以被逐渐的淘汰，就是由于传统的方法遵循的是以往的设计经验来完成的设计，不但要依靠很多人力、物力还浪费了大量的时间。人工的计算很容易出现失误，特别是在选取最优方案的时候，大多采取的是多种方案对比的方式来选择，这样一来就需要设计人员根据机械工程设计的需要来设计出不同方案，大大提高了机械投入开发及生产的时间，如果设计的质量出现问题，还会造成高成本投入的问题，直接影响到了企业赚取利润的空间。通过有限元分析技术可以有效的解决以上出现的问题，在保证机械设计质量等同时，还能为企业创造出更大的经济效益。
以机械设计中汽车领域的设计为例，有限元分析技术实现汽车结构的动力学分析、汽车部件结构的刚度和强度的分析。在进行部件强度分析的时候，主要包含以下内容：通过ANSYS、ABAQUS 等有限元分析软件建立出该部件的三维模型，再建立出车身结构和该零件的有限元模型，按照汽车的不同工况分析出整车的动力并计算出该动力仿真结果，在完成以上内容后通过施加载荷值运行并求得结果，汽车中的底盘部件要按照一定的负荷值计算出该结构的应力和变形的数据。这个案例利用了先进的有限元分析技术，实现了对车部件以及整车结构的剖析和再创造，可以根据有限元分析的数据与汽车的各部件或整体的性能进行分析比对，实现了汽车各机械部件的优化处理，通过车架以及车身的仿真技术还能实现汽车构造的模拟实验，有利于为确定该汽车设计的最终方案提供理论依据。
关于动力学分析的内容主要研究方向是分析结构本身的频率以及自振式时的特性与谐响应；瞬态动力学的分析研究方向为机械结构给周期和非周期载荷造成的不同动态响应，如果是对比较复杂的零件或结构进行的分析，应该在保证其静态刚度的基础上再检验该结构的动态刚度；静力学的分析是针对机械结构在受到承载之后的情况分析，这也是在有限元分析中最为基础的分析技术；除了以上还有热应力分析，这项技术分析主要研究的方向是：机械结构实际的作业温度不符合安装温度时候的机械部件内部中关于温度的应力。
4 结束语
总而言之，在机械设计领域中利用有限元分析法，可以在最大程度上减少机械设计以及产品开发的时间，有效的缩短了产品投入生产的周期，有限元分析的技术还可以在确保精准数据运算的同时，实现机械设计的不断优化。有限元分析法在未来的机械设计领域中，会成为工程设计技术应用的主流趋势，随着科学技术的快速发展，相信有限元分析的技术会在应用实践中得到更大的突破，从而为人类带来更大的利益。
参考文献：
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