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摘要：随着计算机技术发展，有限元法及其各类软件越来越多的应用于现代机械领域。本文对有限元法的原理、常用有限元软件及有限元软件在机械设计制造方面的应用等进行了阐述与分析。
关键词：有限元软件；机械设计制造；应用
近年来，随着计算机技术的迅猛发展，各种有限元软件相继产生，凭借其快捷性、低成本等优点，越发的受到现代机械工程师的青睐。通过应用有限元软件，提高了机械产品的性能，缩短了研发制造周期，提高了企业的创新能力和利润。
1有限元法的原理
有限元法，通过将分析对象进行离散化、矩阵化处理，利用方程对复杂数值计算，得出近似解[1]。由节点将各单元相联系，传递相互作用力，定义各单元的属性、载荷、边界等条件后，根据相应的关系式计算各单元的刚度矩阵即可得出分析结果。求解结果的准确度与精度，往往与选择的单元类型、密度、求解算法有关，同时这也会影响求解时间、内存容量，需要结合实际综合考虑。
2常用有限元软件简介
2.1ANSYS软件
ANSYS是大型的通用性标准有限元软件之一。ANSYS具有智能友好的用户界面，拥有良好的开放性与兼容性，可与其他CAD软件进行数据交互。强大的前后处理功能，提供多级别的网格密度和分网算法，图形、数据处理类型丰富，分析结果直观。ANSYS的突出优点是包含结构、流体、电场、磁场等所有场分析，擅长处理多种物理场及多场耦合线性问题[2]。但由于其针对性不足，遇到复杂深入的问题时，需要应用编程语言进行二次开发，增加了使用难度。
2.2ADINA软件
ADINA作为近年来发展速度最快的软件，除了拥有与其他软件相似的功能外，它以强大的非线性问题和多场耦合分析而著称，求解器的类型丰富，既有基本结构分析，也有流固耦合分析。在求解算法方面，有许多独创性，如劲度稳定法，外力-变位同步控制法，自动步进法[3]等，实现分析对象的绝对收敛性，从而快速求解。
2.3ABAQUS软件
ABAQUS是有限元分析软件家族中高端CAE软件，拥有一套先进的有限元分析系统，产品包括前后处理模块、隐式求解器模块和显式求解器模块。它同样擅长非线性有限元分析，更强大的是可以对系统级问题进行分析，求解规模庞大的复杂和高度非线性问题。该软件的不足之处是对于瞬时问题如爆炸、冲击的仿真模拟稍有逊色[4]。
3有限元软件在机械设计制造方面的应用
传统机械产品的设计制造中，往往有以下特征：①新产品的产生，首先根据已有资料和经验进行研发设计；②批量生产前，需要制作样机；③对新产品的性能测试和优化，是根据对样机的大量实验得出。因此，传统的机械设计制造，一直存在生产周期长、生产效率低下和产品性能差等问题，严重制约着机械领域的发展。有限元方法的出现，凭借其高效、可靠、成本低等优势，很快得到了极大应用。目前，主要体现在以下几方面：（1）静力学分析。大型机械结构经常会承受静态载荷，这类载荷下，机械结构会发生一定程度的变形。有时应力、应变比较小，应用传统方法很难观察到结果，此时应用有限元静力学分析方法，就可以得到相应的分析，为产品改进提供科学依据。（2）动力学分析。机械产品在实际工况下，不仅受静态载荷影响，还受自身和外界环境振动的干扰，一旦外界频率接近机械设备的固有频率，就易发生共振现象，严重破坏机械结构，导致危险事故。因此，设计制造大型复杂设备时，需要运用有限元方法开展模态分析、动态刚度检验等，确保产品的安全可靠性。（3）接触分析。机械设备往往组成复杂，很多机械设备的运转，是依靠各零件之间的相互接触力，而接触力过大过小都不合适。有限元接触分析方法，就是对相互接触的不同结构间的接触状态、接触力进行分析。接触分析属于典型的非线性分析，一般需要应用非线性分析模块功能较强大的软件进行模拟。（4）屈曲分析。机械设备所处的工况相对复杂，常会遇到设计之初考虑不到的特殊情况。对机械结构处于突发状况下的承载能力、屈曲状态分析，是有限元方法几何非线性分析的应用，如分析压杆的稳定性，桁架结构失稳时的临界屈曲模态等。（5）机械结构误差分析。误差在机械结构中普遍存在，不可消除，只能减小。机械结构误差受多方面影响，如设计人员的专业水平、设计工具和加工工序导致的误差等[5]。如果想制造出相对完美的机械产品，必须在众多误差因素中，找出主次影响变量，将不重要的次要因素忽略。这一过程实现，可以借助有限元方法，设置参数对各个变量进行相关计算。
4有限元软件的不足之处
虽然有限元法和软件相比传统机械方法，具有无可比拟的优势，但由于我国有限元技术研究起步较晚，在实际应用中仍存在一些不足：应用有限元软件在模拟分析复杂机械工程问题时，所消耗的时间成本和内存容量要求较高；目前的有限元软件，大多数的自适应分析技术还不成熟，用户对于网格单元类型和算法种类，需要凭借自身的经验进行选择；分析过程中，经常出现不收敛等错误，尚未形成系统的总结，耗费用户精力与时间等。
5总结
有限元法在现代机械设计制造中，已经取得了良好的应用，促进了企业的创新与盈收。今后随着有限元法和相关软件的发展，将会更好的助力现代机械领域的进步，推动中国制造2025的进程。
参考文献：
[1]翟万柱.有限元分析软件在机械实际工作中的应用[J].电子制作，2014（05）：23.
[2]马奎兴.有限元及软件ANSYS简介[J].水利科技与经济，2004（03）：190.
[3]刘彤，刘国宁等.非线性有限元软件ADINA最新进展[J].计算机辅助设计与制造，2001（12）：70-74.
[4]张佳.有限元软件的比较与选择[J].现代装饰（理论），2016（08）：258.
[5]方芳.机械结构误差分析中有限元法的运用[J].黑龙江科学，2017（04）：124-125.
作者:李雨乐 王瑞 单位:中北大学朔州校区