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[摘 要]本文通过对于有限元法的发展历史的简述，其实施过程的介绍，以及该方法广阔的应用范围的介绍和以后有限元法的应用软件的发展前途的展望，让大家了解在当今这个科技飞速发展的时代，有限元法被广泛应用并且大受欢迎。
[关键词]有限元法、机械设计、应用
中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）09-0288-01
随着经济的快速发展，市场竞争愈发激烈，商家都想寻求利益的最大化，想拥有既省钱又优质的产品，而现代科技的发展提供给他们机会。有限元法可以通过计算机的精确控制来更好的进行产品的设计，可以得到更优质的产品，且有限元法也拥有自身为高科技的绝对优势。使得它倍受青睐，越来越来多的生产设计中运用了该技术，大幅提高了产品的质量。
1.有限元法的介绍
1.1 有限元法的历史
有限元方法诞生于20世纪中叶，早在1943年，已经有了单元的概念，不久后又在结构矩阵分析方面取得了很大的进展。1956年， 人们把刚架位移法的思路，推广应用于弹性力学平面问题：他们把连续体划分为三角形和矩形单元，单元中的位移函数采用近似表达式，推导单元的刚度矩阵，建立结合点位移与结合点力之间的单元刚度方程。1960年Clough首先将这种解决弹性了学的方法称为"有限元法"。有限元法最初应用在求解结构的平面问题，随着计算机技术的快速发展和普及， 由变分法有限元扩展到加权残数法与能量平衡法有限元，由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力学平衡问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题，由线性问题扩展到非线性问题，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域。
1.2 有限元法的实施过程
有限元设计的过程就是用有限元程序把有限元理论和方法用计算机实施过程的纽带。结构的离散化是有限元法分析的第一步，它是有限单元法的基础，单元格的划分就是把机械整体的模型进行离散的处理，其次是进行位移模式选择。有限元法通常采用位移法， 机械模型简化就是去掉新产品的模型中那些不会对机械整体产生很大影响的部分，单元特性分析，因此应先选择合理的位移模式（位移函数）。在机械设计制造的过程中需要根据新产品的几何特征制作相应的模型，然后分析单元的力学性质。对于接触条件的定义要根据机械模型各部分组成的接触状态而定， 对于已经定义好的载荷状况机械模型，要将其选择到作业当中做更加细致的处理，之后是利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新联结起来，形成整体刚度矩阵。最后一步是根据需要可由弹性力学的几何方程和弹性方程来计算应变和应力。
2.有限元法应用
2.1 在机械设计中的应用方向
有限元法可以在农业机械零部件设计中的应用，也可以在各种材料中应用，例如弹塑性、塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料，同时在航天、土木建筑、机械制造、水利工程、造船、电子技术及原子能等各种高端技术上进行应用，也被大量应用于汽车零部件的设计中，可以通过计算满足刚度、强度、耐久性、隔振降噪性能、安全性、轻量化设计、内外模型、制造性、环保及成本的多项要求。有限元法还被运用于许多分析中，例如静力学分析这是对二维或三维的机械结构承载后的应力、应变和变形的分析，是有限元法在机械工程中最基本、最常用的分析类型；动力学分析包括模态分析用于研究结构的固有频率和自振型式等振动特性、谐响应分析和瞬态动力学分析用于研究结构对周期载荷和非周期载荷的动态响应，当零部件在结构设计时，对复杂结构，在满足静态刚度要求条件下，要检验动态刚度；热应力分析于研究结构的工作温度不等于安装温度时或工作时结构内部存在温度分布时，结构内部的温度应力；接触分析于机械结构中结构与结构间力的传递均是通过接触来实现的，所以有限元法在机械结构中的应用很多都是接触分析；屈曲分析这是一种几何非线性分析，用于确定结构开始变得不稳定时的临界载荷和屈曲模态形状。
2.2 相关软件的发展前途
我国以往的机械设计都是一种经验上的设计，就是仅仅利用现有的资料对新产品进行开发，再根据经验做一些比较合理的改进，这种传统的设计方式会浪费很多的时间，而且生产出的产品机械性能也很差，不仅生产效率低，耗费成本也很多，在机械设计中，采用有限元法的优化设计，可以减轻机械设计自重，优化零件形状。有限元法的通用性与实用性导致了有限元通用程序的发展。它们基本上均有较好的前处理、后处理和计算能力，可以满足产品开发的要求。它可进行多种物理场分析，如结构分析、温度分析、电磁场分析、流场分析、多场耦合分析等。可以处理多种材料， 自动进行单元形态、求解精度检查及修正。由单一零件的模拟向整机的模拟方向发展，具有强大的后处理及图像显示功能。具有与多种CAD系统直接连接的接口。具有良好的用户开发环境和良好的培训维护能力。向智能化、本地化、方便的二次开发性、友好化方向发展，进一步加强前处理的可视化能力和后处理数据输出功能。许多商业化有限元分析软件都开发了和著名的CAD软件的接口。有限元的应用大大提高了企业的设计效率，优化了设计方案，缩短了产品的开发周期。有限元法的发展将会有更大的突破必将推动了科技进步和社会发展，并且会取得巨大的经济效益。
2.3 有限元法的应用实例
有限元技术在汽车产品开发中的应用非常广泛比，主要包括以下几个方面：汽车零部件结构强度、刚度的分析、在结构动力学分析方面：结构动力学分析、在汽车流场，温度场方面的应用、在汽车被动安全方面的应用等。在国外，大型汽车公司经过近百年的汽车设计制造，在汽车结构分析和设计方面积累了丰富的试验数据和理论分析经验，形成了实用的结构分析数据库、设计改正记录和设计规范。在我国目前车身自主设计能力较低的情况下，将有限元法用于反求工程中，可以帮助充分吸收、消化先进的设计思想和方法，从而进一步达到对结构进行改进、挖潜和再创造的目的。用有限元技术进行零部件强度分析主要包含以下几步：第一利用Pro/E建立零部件三维实体模型。第二是建立零部件的有限元模型：车身结构有限元模型的建立，依据不同工况的整车动力仿真结果，之后是施加约束和载荷最后运行求解，得底盘零部件在一定载荷下的应力及变形，在设计中利用了现代设计方法及先进的三维CAD系统，依靠设计人员的经验、知识和创新思维，对目标样车车身结构进行了解剖、理解和再创造，可以说是对已有设计的再设计。将有限元分析与结构拓扑优化相结合，依据汽车车架的结构受力特性及其材料的性能要求，建立了优化数学模型，构建了应力约束下车架拓扑优化准则，并开展了车架结构的仿真设计，得到了合理的结果。通过模态计算，不仅可以检查设计中的缺陷，而且可以检查焊接关系是否正确。对目标样车进行模态试验，将其试验结果确定为模型样车的模态理想值。
3.结语
综上所述，有限元法正在随着电脑技术的发展而蓬勃发展中，其具有的绝对优势使得人们对它不断进行研究完善，其也在生产中为人们带来了优质的设计产品，有限元法的软件也在开发中，其以绝对优势将不断被运用和提高。有限元法在机械设计中的运用大大提高了设计的效率，产品开发时间也被大大缩短，节约了大量成本。
参考文献
[1] 李霞，宋海堂.ANSYS在机械设计中的应用[J].计算机技术应用，2011，（11）.
[2] 高強.有限元法及CAE技术在现代机械工程中的应用[J].机械科学与技术，2013（22）：126-128.
[关键词]有限元法、机械设计、应用
中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）09-0288-01
随着经济的快速发展，市场竞争愈发激烈，商家都想寻求利益的最大化，想拥有既省钱又优质的产品，而现代科技的发展提供给他们机会。有限元法可以通过计算机的精确控制来更好的进行产品的设计，可以得到更优质的产品，且有限元法也拥有自身为高科技的绝对优势。使得它倍受青睐，越来越来多的生产设计中运用了该技术，大幅提高了产品的质量。
1.有限元法的介绍
1.1 有限元法的历史
有限元方法诞生于20世纪中叶，早在1943年，已经有了单元的概念，不久后又在结构矩阵分析方面取得了很大的进展。1956年， 人们把刚架位移法的思路，推广应用于弹性力学平面问题：他们把连续体划分为三角形和矩形单元，单元中的位移函数采用近似表达式，推导单元的刚度矩阵，建立结合点位移与结合点力之间的单元刚度方程。1960年Clough首先将这种解决弹性了学的方法称为"有限元法"。有限元法最初应用在求解结构的平面问题，随着计算机技术的快速发展和普及， 由变分法有限元扩展到加权残数法与能量平衡法有限元，由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力学平衡问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题，由线性问题扩展到非线性问题，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域。
1.2 有限元法的实施过程
有限元设计的过程就是用有限元程序把有限元理论和方法用计算机实施过程的纽带。结构的离散化是有限元法分析的第一步，它是有限单元法的基础，单元格的划分就是把机械整体的模型进行离散的处理，其次是进行位移模式选择。有限元法通常采用位移法， 机械模型简化就是去掉新产品的模型中那些不会对机械整体产生很大影响的部分，单元特性分析，因此应先选择合理的位移模式（位移函数）。在机械设计制造的过程中需要根据新产品的几何特征制作相应的模型，然后分析单元的力学性质。对于接触条件的定义要根据机械模型各部分组成的接触状态而定， 对于已经定义好的载荷状况机械模型，要将其选择到作业当中做更加细致的处理，之后是利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新联结起来，形成整体刚度矩阵。最后一步是根据需要可由弹性力学的几何方程和弹性方程来计算应变和应力。
2.有限元法应用
2.1 在机械设计中的应用方向
有限元法可以在农业机械零部件设计中的应用，也可以在各种材料中应用，例如弹塑性、塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料，同时在航天、土木建筑、机械制造、水利工程、造船、电子技术及原子能等各种高端技术上进行应用，也被大量应用于汽车零部件的设计中，可以通过计算满足刚度、强度、耐久性、隔振降噪性能、安全性、轻量化设计、内外模型、制造性、环保及成本的多项要求。有限元法还被运用于许多分析中，例如静力学分析这是对二维或三维的机械结构承载后的应力、应变和变形的分析，是有限元法在机械工程中最基本、最常用的分析类型；动力学分析包括模态分析用于研究结构的固有频率和自振型式等振动特性、谐响应分析和瞬态动力学分析用于研究结构对周期载荷和非周期载荷的动态响应，当零部件在结构设计时，对复杂结构，在满足静态刚度要求条件下，要检验动态刚度；热应力分析于研究结构的工作温度不等于安装温度时或工作时结构内部存在温度分布时，结构内部的温度应力；接触分析于机械结构中结构与结构间力的传递均是通过接触来实现的，所以有限元法在机械结构中的应用很多都是接触分析；屈曲分析这是一种几何非线性分析，用于确定结构开始变得不稳定时的临界载荷和屈曲模态形状。
2.2 相关软件的发展前途
我国以往的机械设计都是一种经验上的设计，就是仅仅利用现有的资料对新产品进行开发，再根据经验做一些比较合理的改进，这种传统的设计方式会浪费很多的时间，而且生产出的产品机械性能也很差，不仅生产效率低，耗费成本也很多，在机械设计中，采用有限元法的优化设计，可以减轻机械设计自重，优化零件形状。有限元法的通用性与实用性导致了有限元通用程序的发展。它们基本上均有较好的前处理、后处理和计算能力，可以满足产品开发的要求。它可进行多种物理场分析，如结构分析、温度分析、电磁场分析、流场分析、多场耦合分析等。可以处理多种材料， 自动进行单元形态、求解精度检查及修正。由单一零件的模拟向整机的模拟方向发展，具有强大的后处理及图像显示功能。具有与多种CAD系统直接连接的接口。具有良好的用户开发环境和良好的培训维护能力。向智能化、本地化、方便的二次开发性、友好化方向发展，进一步加强前处理的可视化能力和后处理数据输出功能。许多商业化有限元分析软件都开发了和著名的CAD软件的接口。有限元的应用大大提高了企业的设计效率，优化了设计方案，缩短了产品的开发周期。有限元法的发展将会有更大的突破必将推动了科技进步和社会发展，并且会取得巨大的经济效益。
2.3 有限元法的应用实例
有限元技术在汽车产品开发中的应用非常广泛比，主要包括以下几个方面：汽车零部件结构强度、刚度的分析、在结构动力学分析方面：结构动力学分析、在汽车流场，温度场方面的应用、在汽车被动安全方面的应用等。在国外，大型汽车公司经过近百年的汽车设计制造，在汽车结构分析和设计方面积累了丰富的试验数据和理论分析经验，形成了实用的结构分析数据库、设计改正记录和设计规范。在我国目前车身自主设计能力较低的情况下，将有限元法用于反求工程中，可以帮助充分吸收、消化先进的设计思想和方法，从而进一步达到对结构进行改进、挖潜和再创造的目的。用有限元技术进行零部件强度分析主要包含以下几步：第一利用Pro/E建立零部件三维实体模型。第二是建立零部件的有限元模型：车身结构有限元模型的建立，依据不同工况的整车动力仿真结果，之后是施加约束和载荷最后运行求解，得底盘零部件在一定载荷下的应力及变形，在设计中利用了现代设计方法及先进的三维CAD系统，依靠设计人员的经验、知识和创新思维，对目标样车车身结构进行了解剖、理解和再创造，可以说是对已有设计的再设计。将有限元分析与结构拓扑优化相结合，依据汽车车架的结构受力特性及其材料的性能要求，建立了优化数学模型，构建了应力约束下车架拓扑优化准则，并开展了车架结构的仿真设计，得到了合理的结果。通过模态计算，不仅可以检查设计中的缺陷，而且可以检查焊接关系是否正确。对目标样车进行模态试验，将其试验结果确定为模型样车的模态理想值。
3.结语
综上所述，有限元法正在随着电脑技术的发展而蓬勃发展中，其具有的绝对优势使得人们对它不断进行研究完善，其也在生产中为人们带来了优质的设计产品，有限元法的软件也在开发中，其以绝对优势将不断被运用和提高。有限元法在机械设计中的运用大大提高了设计的效率，产品开发时间也被大大缩短，节约了大量成本。
参考文献
[1] 李霞，宋海堂.ANSYS在机械设计中的应用[J].计算机技术应用，2011，（11）.
[2] 高強.有限元法及CAE技术在现代机械工程中的应用[J].机械科学与技术，2013（22）：126-128.