楊越+楊玉芳+陳明富

摘 要：計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)的核心技術(shù)是在計(jì)算機(jī)中建立和現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品在性能上具有可比性，可以虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品的各種使用條件的模型，目前用得最多的是有限元技術(shù)。接下來(lái)將了解有限元技術(shù)的基本原理及其在工程中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：有限元技術(shù)；計(jì)算機(jī)輔助工程；工程技術(shù)分析

1 有限元技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展

有限元分析技術(shù)（finite element analysis FEA）是隨著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的一種現(xiàn)代計(jì)算方法。20世紀(jì)五六十年代，在連續(xù)體力學(xué)領(lǐng)域取得了一系列研究成果，結(jié)合當(dāng)時(shí)迅速發(fā)展的計(jì)算機(jī)計(jì)算能力，并迎合了當(dāng)時(shí)航空航天領(lǐng)域?qū)μ摂M結(jié)構(gòu)分析技術(shù)的需求，有限元技術(shù)迅速發(fā)展起來(lái)了。1956年波音公司工程師首次將有限元技術(shù)用于飛機(jī)機(jī)翼的結(jié)構(gòu)分析，吹響了有限元技術(shù)工程應(yīng)用的號(hào)角。

有限元在工程上得到廣泛應(yīng)用，得益于大量高效率的有限元分析程序。1966年，美國(guó)國(guó)家航天局為了滿足當(dāng)時(shí)航天工業(yè)對(duì)結(jié)構(gòu)性能分析的迫切需求，主持開發(fā)大型應(yīng)用有限元程序，并于1969年推出第一個(gè)NASTRAN版本。揭開了現(xiàn)代有限元軟件發(fā)展的序幕。許多高校和實(shí)驗(yàn)室也致力與有限元方法的理論研究和程序開發(fā)，并逐漸將成果發(fā)展為商業(yè)化軟件。商業(yè)化的有限元軟件為了滿足市場(chǎng)需求以及充分利用和適應(yīng)計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展對(duì)軟件的功能、性能、用戶界面和前后處理能力都進(jìn)行了充分改進(jìn)和擴(kuò)充。

2 有限元技術(shù)的方法

有限元技術(shù)的核心思想是結(jié)構(gòu)的離散化，就是將實(shí)際結(jié)構(gòu)假想地離散為有限數(shù)目的單元組合體，將求解域看成由這些有限數(shù)目的單元互聯(lián)的子域組成，對(duì)每一單元假定一個(gè)合適的近似解，然后推導(dǎo)求解這個(gè)總域的滿足條件，得出滿足工程精度的近似結(jié)果代替對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)的分析，從而得到實(shí)際結(jié)構(gòu)的物理性能。

第一步：?jiǎn)栴}及求解域定義。根據(jù)真實(shí)結(jié)構(gòu)確定求解的物理性質(zhì)和幾何區(qū)域。

第二步：求解區(qū)域離散化。將求解區(qū)域近似為具有不同大小和形狀且彼此相連的有限個(gè)單元組成的離散域，習(xí)慣上稱為有限元網(wǎng)絡(luò)劃分，并且將產(chǎn)品的材料性質(zhì)、工作條件等也施加到該離散域中。一般來(lái)講，單元越小則離散域的近似程度越好，計(jì)算結(jié)果也越精確，但計(jì)算量將增大。

第三步：聯(lián)立方程組求解。有限元分析軟件帶有各種數(shù)值求解方法，可以利用計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力對(duì)聯(lián)立方程組進(jìn)行求解。

第四步：輸出結(jié)果。求解結(jié)果是單元節(jié)點(diǎn)處狀態(tài)變量的近似值。常見的結(jié)果有變形、受力狀態(tài)和振動(dòng)形式等

第五步：可視化結(jié)果。對(duì)計(jì)算的數(shù)值結(jié)果進(jìn)行處理和分析，形成可視化的結(jié)果，如產(chǎn)品的工作過(guò)程動(dòng)畫、性能曲線等，并完成有限元計(jì)算報(bào)告給相關(guān)人員了解該產(chǎn)品的性能，指導(dǎo)下一步的設(shè)計(jì)和改進(jìn)。

3 計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)的分類

近年來(lái)，隨著有限元軟件的日益普及，以及計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的日益強(qiáng)大，以有限元技術(shù)為代表的計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)（CAE技術(shù)）在產(chǎn)品設(shè)計(jì)當(dāng)中得到越來(lái)越廣泛的重視，已經(jīng)成為解決復(fù)雜的工程分析計(jì)算問(wèn)題的有效途徑，成為現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程不可缺少的一個(gè)環(huán)節(jié)。下面結(jié)合CEA技術(shù)在汽車研發(fā)中的應(yīng)用，簡(jiǎn)要說(shuō)明其各種技術(shù)。

3.1 強(qiáng)度分析

強(qiáng)度分析的主要目的是考察產(chǎn)品在工作時(shí)受到的應(yīng)力和應(yīng)變是否超出材料的許用應(yīng)力和應(yīng)變，如果超出許用值，則判定材料有破壞的風(fēng)險(xiǎn)。利用有限元技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品的強(qiáng)度分析，就是在計(jì)算機(jī)中建立該產(chǎn)品的有限元模型，考察該產(chǎn)品在工作時(shí)的應(yīng)力或應(yīng)變情況。例如汽車的車體以及各個(gè)零部件在設(shè)計(jì)時(shí)就可以通過(guò)CEA技術(shù)看到哪個(gè)零件或者哪個(gè)區(qū)域的應(yīng)力或應(yīng)變比較大，并盡快進(jìn)行必要的修改，而不用等到汽車制造出來(lái)出現(xiàn)問(wèn)題后進(jìn)行修改。

3.2 NVH分析

NVH是指Noise（噪聲）、Vibration（振動(dòng)）和Harshness（聲振粗糙度）由于它們?cè)谲囕v等機(jī)械中是同時(shí)出現(xiàn)且密不可分，因此常把它們放在一起研究。汽車NVH特性的研究應(yīng)該是以整車作為研究對(duì)象的，但由于汽車系統(tǒng)極為復(fù)雜化，因此經(jīng)常將它分解成多個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行研究，如底盤子系統(tǒng)、車身子系統(tǒng)等，也可以研究某一個(gè)激勵(lì)源產(chǎn)生的或某一種工況下的NVH特性，利用有限元方法進(jìn)行車輛NVH性能研究，需要建立詳細(xì)的有限元模型，并主要在頻率范圍內(nèi)對(duì)結(jié)果進(jìn)行考察

3.3 碰撞分析

我國(guó)交通一直有較高的事故率，無(wú)數(shù)生命的代價(jià)換來(lái)民眾、生產(chǎn)廠家和政府部門對(duì)汽車安全性的重視并開始采取各種措施來(lái)減少人員及車輛的損失。目前在汽車碰撞安全技術(shù)研究領(lǐng)域普遍采用的方法為實(shí)車實(shí)驗(yàn)方法和基于有限元技術(shù)的虛擬方法。但是實(shí)車試驗(yàn)的周期長(zhǎng)，費(fèi)用昂貴且重復(fù)性較差，特別地只能在樣車生產(chǎn)后才能進(jìn)行，不能在汽車設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)碰撞安全性能進(jìn)行評(píng)估和改進(jìn)。虛擬的方法就是利用有限元技術(shù)在計(jì)算機(jī)中建立汽車及假人的碰撞模型并模擬各種碰撞過(guò)程，及時(shí)評(píng)估并改進(jìn)設(shè)計(jì)的方法。虛擬方法具有費(fèi)用低廉、周期較短、可重復(fù)性好、結(jié)果信息全面等優(yōu)點(diǎn)

4 結(jié)語(yǔ)

計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)是現(xiàn)代世紀(jì)最具代表性的技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的虛擬性能分析，通過(guò)有限元技術(shù)分解案例，進(jìn)行逐步分析求解，得到在滿足區(qū)間的條件下，求得最優(yōu)解。計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)也是我國(guó)從制造業(yè)大國(guó)向制造業(yè)強(qiáng)國(guó)，從制造業(yè)大國(guó)向設(shè)計(jì)大國(guó)邁進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)，趕超世界先進(jìn)設(shè)計(jì)水平的必由之路。

參考文獻(xiàn)

[1]鄒慧君. 蔣祖華. 2010. 趣談無(wú)所不在的設(shè)計(jì). 北京：科學(xué)出版社

[2]何輝. 2005.創(chuàng)意的秘密. 北京：中國(guó)傳媒大學(xué)出版社.

[3]鄒慧君. 2003. 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理. 北京：科學(xué)出版社.