祝培光

（中集車輛（集團(tuán)）有限公司，深圳 518067）

現(xiàn)代機(jī)械工程對元件的精準(zhǔn)度提出了更高的要求，而有限元法與CAE技術(shù)的出現(xiàn)與推廣，有效滿足了現(xiàn)代機(jī)械工程的生產(chǎn)要求，保證了元件的精準(zhǔn)度。隨著我國社會生產(chǎn)的深入，現(xiàn)代機(jī)械工程對社會發(fā)展的影響也將會進(jìn)一步凸顯，在這種情況下，相關(guān)人員就應(yīng)該從有限元法與CAE技術(shù)入手，尋找進(jìn)一步提高現(xiàn)代機(jī)械工程生產(chǎn)質(zhì)量的突破口。

1 有限元法與CAE技術(shù)研究

1.1 有限元法

有限元法在實(shí)際上是一種求解常、偏微分方程的一種方法，理論上任何被歸納為求解微分方程工程的問題都可以利用有限元法來解決。因此，現(xiàn)階段有限元法已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用在物體結(jié)構(gòu)、電磁環(huán)境、聲學(xué)等問題的研究中。

一般在利用有限元法來分析問題過程中，工作人員需要對求解區(qū)進(jìn)行離散處理，使其成為多個具有彼此聯(lián)系節(jié)點(diǎn)的單元，并構(gòu)建相應(yīng)的單元矩陣，最后將這些獨(dú)立的矩陣整合在一起，成為總體矩陣。在離散過程中，物體結(jié)構(gòu)所劃分的單元數(shù)量越多，則所離散的單元尺寸越小，最終所得到的結(jié)果精準(zhǔn)度自然越高，但是會增加計算量。從目前應(yīng)用情況來看，有限元法在現(xiàn)代機(jī)械工程中具有應(yīng)用價值，能夠?qū)⒃緩?fù)雜的現(xiàn)代機(jī)械工程結(jié)構(gòu)細(xì)化，方便相關(guān)人員對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，保證了設(shè)計、生產(chǎn)的精準(zhǔn)度[1]。

1.2 CAE方法

CAE方法主要利用計算機(jī)輔助求解的方法來確定現(xiàn)代機(jī)械工程產(chǎn)品的強(qiáng)度、剛度與屈曲穩(wěn)定性等。自CAE方法被提出以來，相關(guān)學(xué)者就已經(jīng)將該方法應(yīng)用在機(jī)械與建筑工程中，并且隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CAE技術(shù)的應(yīng)用范圍被進(jìn)一步的拓寬，有效滿足了現(xiàn)代社會生產(chǎn)的要求[2]。當(dāng)前CAE技術(shù)的核心功能，就是要將原本復(fù)雜的結(jié)構(gòu)離散化，并將這個結(jié)構(gòu)離散成為具有一定數(shù)量的規(guī)則單元，依靠對離散單元的分析，獲取有關(guān)物體整體結(jié)構(gòu)的信息。由此可見，CAE方法與有限元法在技術(shù)內(nèi)容上具有一定的相似性。

2 有限元法與CAE方法在現(xiàn)代機(jī)械工程中的應(yīng)用

2.1 基本應(yīng)用方向

現(xiàn)代機(jī)械工程中，有限元法與CAE方法已經(jīng)得到了充分的應(yīng)用，主要集中在以下靜力學(xué)分析、模態(tài)分析、熱應(yīng)力分析等方面。

2.1.1 在靜力學(xué)分析中的應(yīng)用

有限元法與CAE技術(shù)在現(xiàn)代機(jī)械工程應(yīng)用中，相關(guān)人員能夠通過這兩種方法來確定機(jī)械工程元件的受力情況，并了解力的方向、大小等。尤其是在靜力學(xué)中力變化相對較小的環(huán)境下，可以通過有限元法與CAE法來構(gòu)建相應(yīng)的力學(xué)模型，方便相關(guān)人員來描述其受力情況，這是傳統(tǒng)方法所不具備的。從另一角度來看，在現(xiàn)代機(jī)械工程中，通過有限元法與CAE技術(shù)能夠利用計算機(jī)技術(shù)來進(jìn)一步描述機(jī)械工程中不同元件的力學(xué)性能特點(diǎn)，評估不同生產(chǎn)環(huán)境下的結(jié)構(gòu)荷載情況，方便判斷機(jī)械結(jié)構(gòu)的受力情況。

2.1.2 在模態(tài)分析中的應(yīng)用

模態(tài)分析是現(xiàn)代機(jī)械工程的重要組成部分，相關(guān)人員通過CAE技術(shù)能夠快速完成機(jī)械工程的模態(tài)分析。從當(dāng)前相關(guān)技術(shù)的發(fā)展情況來看，隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，在模態(tài)分析中應(yīng)用CAE技術(shù)時，技術(shù)人員可以在計算機(jī)系統(tǒng)上構(gòu)建全面的機(jī)械結(jié)構(gòu)繪圖，并在這個繪圖上標(biāo)記出機(jī)械工程的不同技術(shù)內(nèi)容，讓機(jī)械工程的設(shè)計結(jié)構(gòu)變得更加合理。除此之外，相關(guān)學(xué)者在現(xiàn)代機(jī)械工程中，依靠模態(tài)分析來模擬機(jī)械的運(yùn)行頻率特征，進(jìn)而模擬分析在不同設(shè)計規(guī)劃方法下機(jī)械工程產(chǎn)品的運(yùn)行情況。

2.1.3 在熱應(yīng)力分析中的應(yīng)用

熱應(yīng)力分析成為近幾年機(jī)械工程領(lǐng)域的新興研究方向，技術(shù)人員通過計算機(jī)系統(tǒng)來模擬評估機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。在正常的生產(chǎn)環(huán)境下，機(jī)械設(shè)備想要達(dá)到最優(yōu)化運(yùn)行是難以實(shí)現(xiàn)的，但是對于機(jī)械設(shè)備而言，最優(yōu)化運(yùn)行是延長設(shè)備使用壽命、減少故障發(fā)生的關(guān)鍵。因此，為了能夠滿足這種需求，相關(guān)人員可以在機(jī)械設(shè)備熱應(yīng)力分析過程中，利用有限元法與CAE方法，完成機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)的仿真模擬。通過模擬仿真的方式來判斷機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而對整個設(shè)備結(jié)構(gòu)的運(yùn)行誤差有一個充分的了解，實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，最終為提高機(jī)械工程設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。

2.2 應(yīng)用實(shí)例

斜齒輪在現(xiàn)代機(jī)械工程設(shè)計中占據(jù)著重要位置，具有良好的物理學(xué)性能，在減少振動、控制噪音等方面都發(fā)揮著一定的作用。因此，現(xiàn)階段斜齒輪已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用在現(xiàn)代機(jī)械工程中。隨著有限元法與CAE技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，技術(shù)人員能夠進(jìn)一步優(yōu)化斜齒輪的輪廓結(jié)構(gòu)，獲得更理想的修型效果。

2.2.1 斜齒輪建模

在有限元法與CAE技術(shù)中，構(gòu)建模型是結(jié)構(gòu)分析的第一步，所以在研究中，可以采用Pro/E等軟件來構(gòu)建斜齒輪的基本模型，通過引入齒形參數(shù)來控制輪齒的形狀，保證斜齒輪模型結(jié)構(gòu)能無限接近于實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境?；谶@一要求，可以采用混合掃描切除材料的方法進(jìn)行建模。

從結(jié)構(gòu)上來看，斜齒輪的螺旋線與常規(guī)齒輪相同，所以在模型構(gòu)建中，通過修改標(biāo)準(zhǔn)斜齒輪模型的方法來構(gòu)建模型，按照拋物線集合方程的計算結(jié)果，確定斜齒輪輪廓的偏移距離，采用二次曲線擬合的技術(shù)方法，確定最終的斜齒輪輪廓。

2.2.2 模型的參數(shù)計算與設(shè)置

參數(shù)計算結(jié)果影響斜齒輪的性能，因此為了確保設(shè)計質(zhì)量，在參數(shù)計算與設(shè)置過程中，應(yīng)該保證齒輪具有以下的性能：在進(jìn)入到嚙合瞬間時，主動被動齒正好進(jìn)入到嚙合狀態(tài)下。但是在具體的環(huán)境下，斜齒輪的嚙合瞬間必然會受到彎曲、摩擦力等多種因素的限制而影響嚙合質(zhì)量。

針對上述情況，在模型參數(shù)處理過程中，應(yīng)該充分考慮斜齒輪修型之后的嚙合瞬間狀態(tài)，保證修型之后的齒輪齒面在嚙合瞬間能夠剛好進(jìn)入到嚙合狀態(tài)，并且齒面不受力。根據(jù)這一要求，在有限元法與CAE技術(shù)分析過程中，應(yīng)該模擬分析有限元齒輪接觸位置其情況，并按照自由狀態(tài)的形式對接觸面進(jìn)行處理。最后，在有限元與模型分析階段，就可以將位移轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，并以小齒輪內(nèi)孔為中心提取理想狀態(tài)下的斜齒輪參數(shù)情況，并基于此完成模型的優(yōu)化。

3 結(jié)論

從本次研究結(jié)果可知，有限元法與CAE技術(shù)在現(xiàn)代機(jī)械工程中發(fā)揮著重要作用。從本文所介紹的技術(shù)路徑來看，相關(guān)人員可以根據(jù)本文所介紹的基本方法構(gòu)建相應(yīng)的有限元與CAE技術(shù)模型，來清晰展示機(jī)械工程元件參數(shù)，判斷元件性能是否滿足現(xiàn)代機(jī)械工程的要求，最終為進(jìn)一步推動現(xiàn)代機(jī)械工程行業(yè)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。