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摘要：有限元分析是利用數學近似的方法對真實物理系統進行模擬的方法。在便攜式設備的塑料殼體設計中，需要應用有限元分析的方法建立有限元模型，對系統結構分解，優化零件結構，以便利用更小的材料和更低的成本來提高零件的剛度，提升綜合性能，使其滿足工業設計的需要。

關鍵詞：有限元；優化設計；成本控制；工程設計；工業需求

隨著計算機技術的快速發展，有限元分析越來越被廣泛應用在機械設計中。通過有限元分析軟件，根據零件的幾何特征建立有限元模型，對單元的力學性質進行分析，最后根據力的平衡條件和邊界條件聯結，形成整體剛度矩陣，求出應變和應力。通過分析，可以對零件的設計結構優化，在提高零件的剛度與強度的同時，降低制造成本，滿足更多的性能要求。這種方法可以用在多種領域的設計中，如汽車零部件、土木建筑、水利工程、造船、電子技術等，也可以在各種材料中應用，如塑料、金屬材料、復合材料等，特別是對材料在具體結構中承載后應力應變和變形的分析，已經成為機械工程最基本、最常用的分析方法。

1機械結構靜力學分析

1.1有限元方法運用。關鍵步驟分為結構離散化、位移插值函數選擇、單元力學特性的分析、等效節點載荷計算、整體的分析和位移邊界的應用條件求解等。使用計算單元應力方程、結構平衡方程對于單元結構進行有限元分析，設置節點并加以連接，形成結合體，將整體機械結構加以設計，目標是機械結構趨于成熟。有限元分析方法的運用，分析機械結構的靜力學，得到原有結構中需要改進和優化的部分參數，對于某個局部加以替代或者加以改進。以鋼結構例，在進行連續的彈塑體的鋼結構的結構分析時，其彈塑性區域連續，逼近連續。根據計算機的計算，對鋼結構的精度和性能進行了計算，得到單元數目和基本設計模型。劃分了網格，確定了位移插值函數，判定函數節點，分別設置為應變、應力、位移，在進行函數節點的能源力學特性以及位移函數的應變計算時，使用彈性力學幾何方程，使用節點位移表示單元應變，鋼結構連續彈性經過離散，得到了從單元公共邊界傳遞過來的集中力和體積力以及單元邊界的表面力，移植到了節點上，形成等效節點載荷。1.2使用有限元的參數化分析技術。簡化結構參數模型，描述有限元的尺寸參數以及可變參數的特征。有限元可變參數的分析，目前采用有限元分析軟件進行參數化的分析，根據機械結構的抽象特征，對于不影響精度情況的簡化分析，可利用軟件編程提供，建立參數化有限元分析流程，根據設計要求，賦予參數以特征值，進行有限元的計算，然后將分析結果作為分析的核心，獲得變量形式定義特征參數，對于類型和過程進行定義，并提取和處理分析的結構，用于機械結構的設計。

2建模的分析

在具體的施工中，對于設備重量加以控制，需要將設備的重量設計為機械設備可承受的范圍內。例如對便攜式設備的外殼殼體進行設計。由于便攜式的設備經常用于人工移動，所以重量越小越好。在選擇便攜式設備的殼體材料的過程中，優先選輕質材料；同時便攜式設備在移動的過程中，還要考慮移動的過程中可能會受到的磕碰，所以需要有效地提高殼體的強度與剛度，保證設備不被損壞的同時，具有較強的變形承受度，提高塑料殼體的使用品質。殼體一般具有如下要求：首先質量需要小于1kg；其次殼體的各個面要承受力在150N以上，并且其變形度不能夠超過2mm；在承受外界的沖擊方面，也要有一定的承受度；最后需要殼體的光滑平整。為了使得塑料外殼的強度與成型的性能夠滿足設計需求，可以選擇2.5mm的ABS+PC材料，主要是該材料的性價比較高，能夠滿足工程需要，同時，其強度沖擊力變形程度都比較高，并且其表面比較容易著色，密度較輕，所以利用其設計的產品重量也比較輕。首先可以利用Pro/E建立復雜的3D模型，同時還可以利用該軟件進行殼體3D模型的建立，殼體主要是由幾個零件裝配在一起，所以可以利用該軟件進行相關的操作，進行程序的自動轉化，就能夠顯示實體模型。

3殼體模型的有限元分析

3.1設置單元類型。由于殼體體積和重量的限制，在殼體的有限元分析時，選擇建立的單元模型為：BRICKSILID45。3.2材料屬性。由于使用的材料主要是ABS+PC材料，在工作的過程中要始終保持其變形比較小，所以需要優先選擇線彈性材料，對于材料的彈性模量需要為2370MPa，材料的泊松比為0.3。3.3建立模型。由于在上述過程中所建立的殼體是由幾個零件進行組獨立的，在進行有限元的分期過程中，需要將各個零件進行系統的整合，成為一個整體，才能對其過程中的各個約束條件加以真實的模擬，還原真實環境中的具體的情況。根據分析進行相關操作，選擇所有的零件，將它們組裝成為一個有機整體[1]。3.4網格設置。要充分利用上述過程中設置好的材料的性能與單元的類型，根據具體實際選取實體，對殼體進行網格狀的劃分。3.5受載模擬。在實際的使用過程中，殼體的主要承受力為殼體的背面，所以受到載荷的影響，會橫向發生彎曲，根據殼體變形的相關理論，需要將殼體的背面轉化為四個支撐的薄板結構，從而能夠進行全方位的還原。由于實際工作的過程中，殼體的背部受到的載荷是隨機的，哪個方面都有可能，所以在進行模擬分析時，要將某個位置的負荷量加載到導致殼體變形的最大位置，這樣才能夠保證設計的零件達到所需的要求。由材料力學知識可知越靠近薄板中心的位置，板的彎曲變形程度越大，所以只有薄板的中心位置達到150N的力量，以此為中面，在xyz三個方向進行位置移動的約束[2]。3.6求解運算。通過ansys的計算處理，可得知最大的變形量為5.3mm，遠超過了設計的要求，這就需要增加零件的剛度。將現在的厚度2.5mm換成3mm或者是更大厚度，這樣雖然可以滿足剛度要求，但是會導致材料的浪費，造成生產材料成本的增加，同時也加大了殼體的重量，增加了工作人員搬運的強度[3]。除了加強殼體的厚度還可以在零件的局部加強筋度來提高剛度，為了能夠將材料進行充分的利用，在必要的位置加入強筋，從而使得零件的剛度得到有效的提高。在零件需要加強強度的位置，在設計過程中很難進行確定，因為一般設計的零件是不規則形狀，理想的程度與實際的情況很難相符，所以在一般情況下，只能根據以往的經驗來確定增加強度的位置[4]。由于位置確定不準確，沒有得到明顯的加強效果，或者是為了保險起見過多的加入了強筋，反而導致了材料的浪費，在塑料模成型的過程中，其流動性也難以確定，導致生產率不高。所以在進行量化設計的時候，可以利用相關的軟件進行有限元的分析，將零件拆解為微小的單元，借助計算機的計算能力，對零件的應力應變進行相關的計算，從而使設計能夠滿足實際生產的需要。為了借助ansys軟件的分析能力，需要確定殼體不同位置的應力應變，找到最大應變處，從而有效地提高殼體的剛度。在殼體使用的過程中，要使得其變形小于2mm，屬于小變形，材料的應力應變線性關系中，應力大的位置也應該變形大。所以在利用軟件進行殼體的實際承受力的應用分析過程時，需要利用該軟件處理器的應力云圖找出應變最大的區域，該區域是最需要加強高度的區域。但是在實際的過程中，殼體受到的荷載位置也是隨機的，在整個板面中可能都存在著需要加強承受力的位置，所以不可能對每種情況都進行模擬，實際分析時可以通過一定的方式將所有的可能性進行疊加分析，找出應力較大的地方，從而確定需要加強剛度的位置[5]。這時需要重新對零件施加重力，因為局部的荷載地區只能影響零件表面的應力，不能影響零件大部分的應力和具體的分布情況，所以需要加強零件的荷載分布，通過軟件處理后進行應力求解的計算后可得知應力主要集中在三個方面，即背面的中心區域、頂部和中間地區、以及背部和底部的中間地區。因為殼體是線性彈性材料，所以其應力越大的地區應變也會越大，更容易導致整個殼體的變形。為了減少零件的變形，就需要在相應的位置加入強筋。根據ansys軟件分析，在應力最大的地方加入強筋。再次由軟件分析計算，運行后得到最大變形量為1.7mm，完全符合設計需要。通過ansys軟件對前后的兩個模型進行測量，可以得出其沒有加強筋殼體的重量為0.81kg，加入強筋的重量為0.96kg，僅僅增加了0.14kg，而殼體的變形度由原來的5.3mm減少到了1.7mm，有效地增加了殼體的剛度。從這些數據分析中，可以看到通過有限元分析的方法，能夠在機械設計中減少材料，優化設計，得到了科學合理的結構。不僅降低了生產成本，還提高了產品的質量。

4結束語

機械設計中的復雜結構采用有限元分析的應用方法，通過靜力學分析的方式，對于二維和三維的機械結構，主要分析其變形和應力應變，這是機械工程中常用的分析內容。進行復雜結構有限元分析，要隨著時間的變化，通過靜力學分析對于結構荷載加以動態的建模。模態分析是動力學分析的一種，用于研究結構的固定頻率和自振形式的特性。施加荷載是位移和預應力荷載，而瞬態動力學分析可以對上述分析進行動力學分析，獲得周期荷載和非周期荷載的動態響應分析結構。例如在進行熱應力分析的過程中，可以對于工作結構內部的溫度分布進行溫度應力的分析，而接觸分析則可以進行狀態非現行分析，用于結構物的產生以及機械結構的結構剪力的傳遞。通過有限元分析方法，應用在機械結構的分析方面，進行計算能力的制約。

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作者:高清冉 姚亞平 單位:濟源職業技術學院