【摘要】 ：随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到
几乎所有的科学技术领域，在工程设计和分析中得到了越来越广泛的重视，已经成为解决复杂的工程分析计算问题的有效途径。
【关键词】：有限元分析、机械设计、液压缸。 引言
随着计算机运算能力的日益强大，有限元分析在机械设计中所起的作用也越来越重要。应用有限元分析，来建立其机械零件的有限元模型，并且通过结构分析来进行结构优化等优化设计，从而将设计效率和可靠性大大提高。
1.有限元法概述
1.1限元分析的基本理论：
有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。
有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。
1.2 有限元分析系统的发展现状：
随着现代科学技术的发展，人们正在不断建造更为快速的交通工具、更大规模的建筑物、更大跨度的桥梁、更大功率的发电机组和更为精密的机械设备。这一切都要求工程师在设计阶段就能精确地预测出产品和工程的技术性能，需要对结构的静、动力强度以及温度场、流场、电磁场和渗流等技术参数进行分析计算。例如分析计算高层建筑和大跨度桥梁在地震时所受到的影响，看看是否会发生破坏性事故；分析计算核反应堆的温度场，确定传热和冷却系统是否合理；分析涡轮机叶片内的流体动力学参数，以提高其运转效率。这些都可归结为求解物理问题的控制偏微分方程式往往是不可能的。近年来在计算机技术和数值分析方法支持下发展起来的有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）方法则为解决这些复杂的工程
分析计算问题提供了有效的途径。
在工程实践中，有限元分析软件与CAD系统的集成应用使设计水平发生了质的飞跃，主要表现在以下几个方面：
增加设计功能，减少设计成本； 缩短设计和分析的循环周期； 增加产品和工程的可靠性；
采用优化设计，降低材料的消耗或成本； 在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题； 模拟各种试验方案，减少试验时间和经费； 进行机械事故分析，查找事故原因。
在大力推广CAD技术的今天，从自行车到航天飞机，所有的设计制造都离不开有限元分析计算，FEA在工程设计和分析中将得到越来越广泛的重视。
2.有限元分析在机械结构设计中的应用
2.1液压缸有限元模型的创建
液压缸有限元分析的力学模型是由液压系提供的压力作用，通过活塞的截面面积和工作载荷可以得出液压缸压力：
P=F/S
式中P为液压缸工作压强（MPa），F为工作载荷（N），S为活塞截面面积（mm2）。F=2000N，S=2500mm2；P=29.93MPa。
压力作用于液压缸整个内表面，液压缸底部与侧板相连接固定，为一个约束条件；四个螺栓孔是用来将液压缸和液压缸压盖固定在一起的，因此成为另一个约束条件。此有限元分析模型在设计基础上添加载荷和约束特征即可。
2.2液压缸的有限元执行过程
（1）添加材料属性。油缸的材料为35铸造合金钢；其弹性模量E=190Gpa；泊松比μ=0.26；屈服极限［δs］=241MPa，密度ρ=7300kg/m3。
（2）载荷及边界处理。边界约束及载荷分布在分析结果中可显示。
（3）网格划分。液压缸的网格划分参数为：节点（Nodes）32986个；单
元（Elements）16453个。
（4）运行计算。根据载荷及边界条件，在压力的作用下，其有限元分析结果如图 4、5、6 所示。
2.3 有限元结果分析 （1）根据液压缸有限元分析结果可知：液压缸的最大节点应力为20.5MPa，位于缸体中间部分，根据强度校核公式，其安全系数n=620/20.5=30.24，其强度完全符合设计要求。最大节点位移为13.66μm，而且应变非常小，材料很适合。
（2）根据液压缸的应力、位移、应变云图分析：由于安全系数比较大，相对来说是大材小用了，所以，可以考虑更换一些更适合的材料，这样可以降低成本。
4 结束语：
通过三维实体建模、有限元分析等设计分析软件进行机械设计，不但可以减少周期，降低设计成本，同时，提高了设计的可靠性。
参考文献：
【1】肖世德．液压缸有限元应力与稳定性分析[D]．中国矿业大学，1989．
【2】王钢. 三维实体建模与有限元分析在机械设计中的应用[期刊论文]--哈尔滨工程大学机电学院 2006（4）
【3】张晓红.《三维造型设计》.华南理工大学出版社.2003（10）。 【4】臧克江．液压缸[M]．北京：化学丁业出版社，2010．
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