机械设计有限元分析及结构优化.doc

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1、机械设计有限元分析及结构优化摘要：有限元分析是利用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟的方法。在便携式设备的塑料壳体设计中，需要应用有限元分析的方法建立有限元模型，对系统结构分解，优化零件结构，以便利用更小的材料和更低的成本来提高零件的刚度，提升综合性能，使其满足工业设计的需要。关键词：有限元；优化设计；成本控制；工程设计；工业需求随着计算机技术的快速发展，有限元分析越来越被广泛应用在机械设计中。通过有限元分析软件，根据零件的几何特征建立有限元模型，对单元的力学性质进行分析，最后根据力的平衡条件和边界条件联结，

2、形成整体刚度矩阵，求出应变和应力。通过分析，可以对零件的设计结构优化，在提高零件的刚度与强度的同时，降低制造成本，满足更多的性能要求。这种方法可以用在多种领域的设计中，如汽车零部件、土木建筑、水利工程、造船、电子技术等，也可以在各种材料中应用，如塑料、金属材料、复合材料等，特别是对材料在具体结构中承载后应力应变和变形的分析，已经成为机械工程最基本、最常用的分析方法。1机械结构静力学分析51.1有限元方法运用。关键步骤分为结构离散化、位移插值函数选择、单元力学特性的分析、等效节点载荷计算、整体的分析和位移边界的应

3、用条件求解等。使用计算单元应力方程、结构平衡方程对于单元结构进行有限元分析，设置节点并加以连接，形成结合体，将整体机械结构加以设计，目标是机械结构趋于成熟。有限元分析方法的运用，分析机械结构的静力学，得到原有结构中需要改进和优化的部分参数，对于某个局部加以替代或者加以改进。以钢结构例，在进行连续的弹塑体的钢结构的结构分析时，其弹塑性区域连续，逼近连续。根据计算机的计算，对钢结构的精度和性能进行了计算，得到单元数目和基本设计模型。划分了网格，确定了位移插值函数，判定函数节点，分别设置为应变、应力、位移，在进行函数

4、节点的能源力学特性以及位移函数的应变计算时，使用弹性力学几何方程，使用节点位移表示单元应变，钢结构连续弹性经过离散，得到了从单元公共边界传递过来的集中力和体积力以及单元边界的表面力，移植到了节点上，形成等效节点载荷。1.2使用有限元的参数化分析技术。简化结构参数模型，描述有限元的尺寸参数以及可变参数的特征。有限元可变参数的分析，目前采用有限元分析软件进行参数化的分析，根据机械结构的抽象特征，对于不影响精度情况的简化分析，可利用软件编程提供，建立参数化有限元分析流程，根据设计要求，赋予参数以特征值，进行有限元的计

5、算，然后将分析结果作为分析的核心，获得变量形式定义特征参数，对于类型和过程进行定义，并提取和处理分析的结构，用于机械结构的设计。2建模的分析在具体的施工中，对于设备重量加以控制，需要将设备的重量设计为机械设备可承受的范围内。例如对便携式设备的外壳壳体进行设计。由于便携式的设备经常用于人工移动，所以重量越小越好。在选择便携式设备的壳体材料的过程中，优先选轻质材料；同时便携式设备在移动的过程中，还要考虑移动的过程中可能会受到的磕碰，所以需要有效地提高壳体的强度与刚度，保证设备不被损坏的同时，具有较强的变形承受度，提

6、高塑料壳体的使用品质。壳体一般具有如下要求：首先质量需要小于1kg；其次壳体的各个面要承受力在150N以上，并且其变形度不能够超过2mm；在承受外界的冲击方面，也要有一定的承受度；最后需要壳体的光滑平整。为了使得塑料外壳的强度与成型的性能够满足设计需求，可以选择2.5mm的ABS+PC材料，主要是该材料的性价比较高，能够满足工程需要，同时，其强度冲击力变形程度都比较高，并且其表面比较容易着色，密度较轻，所以利用其设计的产品重量也比较轻。首先可以利用Pro/E建立复杂的3D模型，同时还可以利用该软件进行壳体3D模

7、型的建立，壳体主要是由几个零件装配在一起，所以可以利用该软件进行相关的操作，进行程序的自动转化，就能够显示实体模型。3壳体模型的有限元分析53.1设置单元类型。由于壳体体积和重量的限制，在壳体的有限元分析时，选择建立的单元模型为：BRICKSILID45。3.2材料属性。由于使用的材料主要是ABS+PC材料，在工作的过程中要始终保持其变形比较小，所以需要优先选择线弹性材料，对于材料的弹性模量需要为2370MPa，材料的泊松比为0.3。3.3建立模型。由于在上述过程中所建立的壳体是由几个零件进行组独立的，在进行有

8、限元的分期过程中，需要将各个零件进行系统的整合，成为一个整体，才能对其过程中的各个约束条件加以真实的模拟，还原真实环境中的具体的情况。根据分析进行相关操作，选择所有的零件，将它们组装成为一个有机整体[1]。3.4网格设置。要充分利用上述过程中设置好的材料的性能与单元的类型，根据具体实际选取实体，对壳体进行网格状的划分。3.5受载模拟。在实际的使用过程中，壳体的主要承受力为壳体的背面，所