大家好，我是一名從事機械設計的工程師，大學學習的就是機械設計專業，畢業以後也是繼續從事機械設計工作，已經有6年的工作經驗了；其實從畢業之後的去向可以知道，越來越少的人才往機械行業流動，究其原因，一是因為機械行業需要很長時間的積累，二是因為相對于其他熱門行業來說，工資水平确實相對較低。其實，我們國家的制造業與發達國家相比還是落後很多的，我作為一名設計人員就深有感觸，好的配件幾乎都被國外産品壟斷，有時候想用國内的品牌也需要深加考慮。

談論這個現狀，并不是覺得我們機械行業就不行，隻是希望有更多的人能投身到這個行業當中，就像現在在新冠疫情期間，口罩、防護服、醫療用品、呼吸機等等都是需要機械行業作為支撐，但是要做到世界領先需要更多的人進入行業并為之努力。

為什麼很多人不想進入機械行業，是因為入門門檻相對較高，進步緩慢，很多人稱之為需要很多經驗，确實也需要經驗，我覺得這是以前的狀态，随着手段的進步，我覺得機械的某些方面的經驗要求就在降低，比如本篇要探讨的話題：有限元分析在機械設計中的起到的助力作用。

舉個簡單的例子吧，如下圖所示，是一個腳輪的三維模型，那麼現在的要求是：假設這個腳輪需要承重150公斤，那用于承重的輪子的銷軸究竟用多大的直徑？當然有計算的方法，受力分析，列公式查數據，可以計算出來，但是目前行業中絕大多數是不這樣計算的，因為費時費力；所以很多剛進入行業的人就會很茫然，可能前輩會告訴他這裡用多大直徑的銷軸，就讓他照着做就好了，但是并不清楚究竟對不對，比如直徑用10mm的，這個10mm究竟夠不夠？是偏大還是偏小？沒有一個相對準确的結果。那麼可以看出，憑經驗的話，确實可以高效并還算準确，但是想在稍微深入探讨一點就顯得力不從心了。比如，這裡假設前輩告訴你10MM的軸夠了，那你會問，9MM的軸行不行呢？8MM呢？前輩可能也沒有答案，這也是憑經驗的缺點。那麼，通過有限元的助力計算，就能給出這個答案，而且是快速的。

使用有限元計算的話，隻需要簡單的幾步就能得出符合工程實用的結果。當然了，這裡的說的有限元方法并不是要具備非常專業的有限元知識，隻是作為機械的輔助設計的話，隻要具備基礎的機械知識，掌握計算工具的使用就足夠了。

那麼簡單介紹一下剛剛說的問題：如何得出腳輪的銷軸的合适直徑？

首先你需要兩個工具：一是三維建模工具，可以是sw，proe等等；二是有限元計算軟件，有的三維建模工具是自帶有限元計算模塊的，沒有的也沒有關系，可以單獨使用有限元計算軟件計算，比如workbench等等。

第一步，建立需要計算的三維模型。

如果有現成的三維模型可以直接使用，如果沒有，就需要自己按二維圖紙，依尺寸畫出,當然，建立模型也有一些技巧，這裡不展開說，以後的文章會提到；當然我們的目的是得到銷軸的直徑的大小，那麼一開始就需要先定義一個直徑，這裡沒有特别嚴格的要求，不要太誇張就行，比如這裡先定義銷軸直徑是10mm ，如下圖所示：

第二步，進行受力分析，并反映到模型上，給定約束條件和受力大小方向

受力分析很簡單，輪子與地面接觸，上方重物的力通過銷軸兩端傳遞到滾輪，在通過滾輪傳遞到地面，那麼銷軸就有三個受力點，如下圖所示：

這裡就不具體講軟件如何操作如何設置了，後面的内容會介紹到；支撐的位置給約束，輪子的位置給載荷150公斤。

第三步，進行計算并分析結果

計算後應力的分布按上圖所示，首先判斷應力大小是否符合，那麼判斷的原則在稍後的文章中也會介紹到，再判斷應變大小是否符合，當然，使用場合不嚴格的地方，比如本篇中的腳輪銷軸，變形大小的要求并沒有很嚴格，那麼在應力符合的情況下，可以不用校核應變；在工程實際中，可以給與偏大的安全系數，就基本滿足工程實際需求了。

那麼上述的例子可以看出，10MM的銷軸，應力值是比較小的，那麼就可以縮小軸的直徑再運算一次，在前一次的計算模型上，隻要改變銷軸直徑一個參數就好了，運算一下非常快捷方便，就能得出一個相對合适的銷軸直徑。

從本篇的腳輪的例子可以看出，從建模到最後得出結果，應該大概的時間就不到半個小時，相比于按照書本公式手算要快的多的多，而且可以很方便的多次叠代，優化設計，做到既滿足使用要求，又節約材料，符合綠色制造的要求。

為什麼國外設計的設備看起來都很精巧，而國内很多設計的設備就是顯得傻大笨重，就是因為很多設計人員就是憑經驗，覺得不行就拼命使用材料，軸在粗一些，闆在加厚一些，我覺得這是不可取的；國外這樣的輔助設計已經很普遍了，作為一名機械設計人員，真的希望國内的基礎素質越來越高，這樣設計的産品才會越來越好。

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