有限元法及CAE技术在现代机械工程中的运用研究

祝培光

（中集车辆（集团）有限公司，深圳 518067）

现代机械工程对元件的精准度提出了更高的要求，而有限元法与CAE技术的出现与推广，有效满足了现代机械工程的生产要求，保证了元件的精准度。随着我国社会生产的深入，现代机械工程对社会发展的影响也将会进一步凸显，在这种情况下，相关人员就应该从有限元法与CAE技术入手，寻找进一步提高现代机械工程生产质量的突破口。

1 有限元法与CAE技术研究

1.1 有限元法

有限元法在实际上是一种求解常、偏微分方程的一种方法，理论上任何被归纳为求解微分方程工程的问题都可以利用有限元法来解决。因此，现阶段有限元法已经被广泛的应用在物体结构、电磁环境、声学等问题的研究中。

一般在利用有限元法来分析问题过程中，工作人员需要对求解区进行离散处理，使其成为多个具有彼此联系节点的单元，并构建相应的单元矩阵，最后将这些独立的矩阵整合在一起，成为总体矩阵。在离散过程中，物体结构所划分的单元数量越多，则所离散的单元尺寸越小，最终所得到的结果精准度自然越高，但是会增加计算量。从目前应用情况来看，有限元法在现代机械工程中具有应用价值，能够将原本复杂的现代机械工程结构细化，方便相关人员对机械结构进行分析，保证了设计、生产的精准度[1]。

1.2 CAE方法

CAE方法主要利用计算机辅助求解的方法来确定现代机械工程产品的强度、刚度与屈曲稳定性等。自CAE方法被提出以来，相关学者就已经将该方法应用在机械与建筑工程中，并且随着计算机技术的发展，CAE技术的应用范围被进一步的拓宽，有效满足了现代社会生产的要求[2]。当前CAE技术的核心功能，就是要将原本复杂的结构离散化，并将这个结构离散成为具有一定数量的规则单元，依靠对离散单元的分析，获取有关物体整体结构的信息。由此可见，CAE方法与有限元法在技术内容上具有一定的相似性。

2 有限元法与CAE方法在现代机械工程中的应用

2.1 基本应用方向

现代机械工程中，有限元法与CAE方法已经得到了充分的应用，主要集中在以下静力学分析、模态分析、热应力分析等方面。

2.1.1 在静力学分析中的应用

有限元法与CAE技术在现代机械工程应用中，相关人员能够通过这两种方法来确定机械工程元件的受力情况，并了解力的方向、大小等。尤其是在静力学中力变化相对较小的环境下，可以通过有限元法与CAE法来构建相应的力学模型，方便相关人员来描述其受力情况，这是传统方法所不具备的。从另一角度来看，在现代机械工程中，通过有限元法与CAE技术能够利用计算机技术来进一步描述机械工程中不同元件的力学性能特点，评估不同生产环境下的结构荷载情况，方便判断机械结构的受力情况。

2.1.2 在模态分析中的应用

模态分析是现代机械工程的重要组成部分，相关人员通过CAE技术能够快速完成机械工程的模态分析。从当前相关技术的发展情况来看，随着电子信息技术的发展，在模态分析中应用CAE技术时，技术人员可以在计算机系统上构建全面的机械结构绘图，并在这个绘图上标记出机械工程的不同技术内容，让机械工程的设计结构变得更加合理。除此之外，相关学者在现代机械工程中，依靠模态分析来模拟机械的运行频率特征，进而模拟分析在不同设计规划方法下机械工程产品的运行情况。

2.1.3 在热应力分析中的应用

热应力分析成为近几年机械工程领域的新兴研究方向，技术人员通过计算机系统来模拟评估机械设备的运行状态。在正常的生产环境下，机械设备想要达到最优化运行是难以实现的，但是对于机械设备而言，最优化运行是延长设备使用寿命、减少故障发生的关键。因此，为了能够满足这种需求，相关人员可以在机械设备热应力分析过程中，利用有限元法与CAE方法，完成机械设备结构的仿真模拟。通过模拟仿真的方式来判断机械设备的运行状态，进而对整个设备结构的运行误差有一个充分的了解，实现对结构的改进，最终为提高机械工程设备运行质量奠定基础。

2.2 应用实例

斜齿轮在现代机械工程设计中占据着重要位置，具有良好的物理学性能，在减少振动、控制噪音等方面都发挥着一定的作用。因此，现阶段斜齿轮已经被广泛的应用在现代机械工程中。随着有限元法与CAE技术的进一步发展，技术人员能够进一步优化斜齿轮的轮廓结构，获得更理想的修型效果。

2.2.1 斜齿轮建模

在有限元法与CAE技术中，构建模型是结构分析的第一步，所以在研究中，可以采用Pro/E等软件来构建斜齿轮的基本模型，通过引入齿形参数来控制轮齿的形状，保证斜齿轮模型结构能无限接近于实际生产环境。基于这一要求，可以采用混合扫描切除材料的方法进行建模。

从结构上来看，斜齿轮的螺旋线与常规齿轮相同，所以在模型构建中，通过修改标准斜齿轮模型的方法来构建模型，按照抛物线集合方程的计算结果，确定斜齿轮轮廓的偏移距离，采用二次曲线拟合的技术方法，确定最终的斜齿轮轮廓。

2.2.2 模型的参数计算与设置

参数计算结果影响斜齿轮的性能，因此为了确保设计质量，在参数计算与设置过程中，应该保证齿轮具有以下的性能：在进入到啮合瞬间时，主动被动齿正好进入到啮合状态下。但是在具体的环境下，斜齿轮的啮合瞬间必然会受到弯曲、摩擦力等多种因素的限制而影响啮合质量。

针对上述情况，在模型参数处理过程中，应该充分考虑斜齿轮修型之后的啮合瞬间状态，保证修型之后的齿轮齿面在啮合瞬间能够刚好进入到啮合状态，并且齿面不受力。根据这一要求，在有限元法与CAE技术分析过程中，应该模拟分析有限元齿轮接触位置其情况，并按照自由状态的形式对接触面进行处理。最后，在有限元与模型分析阶段，就可以将位移转换结果进行调整，并以小齿轮内孔为中心提取理想状态下的斜齿轮参数情况，并基于此完成模型的优化。

3 结论

从本次研究结果可知，有限元法与CAE技术在现代机械工程中发挥着重要作用。从本文所介绍的技术路径来看，相关人员可以根据本文所介绍的基本方法构建相应的有限元与CAE技术模型，来清晰展示机械工程元件参数，判断元件性能是否满足现代机械工程的要求，最终为进一步推动现代机械工程行业的发展奠定基础。