浅谈有限元助力机械设计（开篇）

大家好，我是一名从事机械设计的工程师，大学学习的就是机械设计专业，毕业以后也是继续从事机械设计工作，已经有6年的工作经验了；其实从毕业之后的去向可以知道，越来越少的人才往机械行业流动，究其原因，一是因为机械行业需要很长时间的积累，二是因为相对于其他热门行业来说，工资水平确实相对较低。其实，我们国家的制造业与发达国家相比还是落后很多的，我作为一名设计人员就深有感触，好的配件几乎都被国外产品垄断，有时候想用国内的品牌也需要深加考虑。

谈论这个现状，并不是觉得我们机械行业就不行，只是希望有更多的人能投身到这个行业当中，就像现在在新冠疫情期间，口罩、防护服、医疗用品、呼吸机等等都是需要机械行业作为支撑，但是要做到世界领先需要更多的人进入行业并为之努力。

为什么很多人不想进入机械行业，是因为入门门槛相对较高，进步缓慢，很多人称之为需要很多经验，确实也需要经验，我觉得这是以前的状态，随着手段的进步，我觉得机械的某些方面的经验要求就在降低，比如本篇要探讨的话题：有限元分析在机械设计中的起到的助力作用。

举个简单的例子吧，如下图所示，是一个脚轮的三维模型，那么现在的要求是：假设这个脚轮需要承重150公斤，那用于承重的轮子的销轴究竟用多大的直径？当然有计算的方法，受力分析，列公式查数据，可以计算出来，但是目前行业中绝大多数是不这样计算的，因为费时费力；所以很多刚进入行业的人就会很茫然，可能前辈会告诉他这里用多大直径的销轴，就让他照着做就好了，但是并不清楚究竟对不对，比如直径用10mm的，这个10mm究竟够不够？是偏大还是偏小？没有一个相对准确的结果。那么可以看出，凭经验的话，确实可以高效并还算准确，但是想在稍微深入探讨一点就显得力不从心了。比如，这里假设前辈告诉你10MM的轴够了，那你会问，9MM的轴行不行呢？8MM呢？前辈可能也没有答案，这也是凭经验的缺点。那么，通过有限元的助力计算，就能给出这个答案，而且是快速的。

使用有限元计算的话，只需要简单的几步就能得出符合工程实用的结果。当然了，这里的说的有限元方法并不是要具备非常专业的有限元知识，只是作为机械的辅助设计的话，只要具备基础的机械知识，掌握计算工具的使用就足够了。

那么简单介绍一下刚刚说的问题：如何得出脚轮的销轴的合适直径？

首先你需要两个工具：一是三维建模工具，可以是sw，proe等等；二是有限元计算软件，有的三维建模工具是自带有限元计算模块的，没有的也没有关系，可以单独使用有限元计算软件计算，比如workbench等等。

第一步，建立需要计算的三维模型。

如果有现成的三维模型可以直接使用，如果没有，就需要自己按二维图纸，依尺寸画出,当然，建立模型也有一些技巧，这里不展开说，以后的文章会提到；当然我们的目的是得到销轴的直径的大小，那么一开始就需要先定义一个直径，这里没有特别严格的要求，不要太夸张就行，比如这里先定义销轴直径是10mm ，如下图所示：

第二步，进行受力分析，并反映到模型上，给定约束条件和受力大小方向

受力分析很简单，轮子与地面接触，上方重物的力通过销轴两端传递到滚轮，在通过滚轮传递到地面，那么销轴就有三个受力点，如下图所示：

这里就不具体讲软件如何操作如何设置了，后面的内容会介绍到；支撑的位置给约束，轮子的位置给载荷150公斤。

第三步，进行计算并分析结果

计算后应力的分布按上图所示，首先判断应力大小是否符合，那么判断的原则在稍后的文章中也会介绍到，再判断应变大小是否符合，当然，使用场合不严格的地方，比如本篇中的脚轮销轴，变形大小的要求并没有很严格，那么在应力符合的情况下，可以不用校核应变；在工程实际中，可以给与偏大的安全系数，就基本满足工程实际需求了。

那么上述的例子可以看出，10MM的销轴，应力值是比较小的，那么就可以缩小轴的直径再运算一次，在前一次的计算模型上，只要改变销轴直径一个参数就好了，运算一下非常快捷方便，就能得出一个相对合适的销轴直径。

从本篇的脚轮的例子可以看出，从建模到最后得出结果，应该大概的时间就不到半个小时，相比于按照书本公式手算要快的多的多，而且可以很方便的多次迭代，优化设计，做到既满足使用要求，又节约材料，符合绿色制造的要求。

为什么国外设计的设备看起来都很精巧，而国内很多设计的设备就是显得傻大笨重，就是因为很多设计人员就是凭经验，觉得不行就拼命使用材料，轴在粗一些，板在加厚一些，我觉得这是不可取的；国外这样的辅助设计已经很普遍了，作为一名机械设计人员，真的希望国内的基础素质越来越高，这样设计的产品才会越来越好。

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来源：机械敏少