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隨著我國(guó)飲料、乳品、啤酒市場(chǎng)的迅速發(fā)展，對(duì)灌裝封口機(jī)的需求量越來(lái)越大，并對(duì)質(zhì)量提出了更高的要求。若仍采用傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足市場(chǎng)多樣化的需求、不能適應(yīng)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，也很難提高產(chǎn)品的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益及保證產(chǎn)品質(zhì)量。由于目前國(guó)內(nèi)對(duì)灌裝封口機(jī)的設(shè)計(jì)，仍缺乏成熟的設(shè)計(jì)理論及足夠的設(shè)計(jì)依據(jù)，許多參數(shù)的選擇都是憑經(jīng)驗(yàn)和一些理論簡(jiǎn)化確定，所設(shè)計(jì)部件是否合理要通過(guò)樣機(jī)試驗(yàn)才知道，因此以全自動(dòng)塑杯灌裝封口機(jī)為研究對(duì)象，首先利用SolidWorks三維造型軟件設(shè)計(jì)和造型出全自動(dòng)塑杯灌裝封口機(jī)的各模塊，然后利用SolidWorks的COSMOSWorks插件對(duì)其模塊進(jìn)行有限元分析，針對(duì)有限元分析的結(jié)果提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，從而最大限度地縮短全自動(dòng)塑杯灌裝封口機(jī)的設(shè)計(jì)周期、降低測(cè)試成本，為此類(lèi)機(jī)械產(chǎn)品的分析計(jì)算提供了一種可行的解決方案。
有限元分析(Finite Element Analysis,FEA)是用較簡(jiǎn)單的問(wèn)題代替復(fù)雜問(wèn)題后再求解。它將求解域看成是由許多稱(chēng)為有限元的小的互連子域組成，對(duì)每一單元假定一個(gè)合適的(較簡(jiǎn)單的)近似解，然后推導(dǎo)求解這個(gè)域總的滿(mǎn)足條件(如結(jié)構(gòu)的平衡條件)，從而得到問(wèn)題的解。這個(gè)解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因?yàn)閷?shí)際問(wèn)題被較簡(jiǎn)單的問(wèn)題所代替。由于大多數(shù)實(shí)際問(wèn)題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計(jì)算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。
對(duì)于不同物理性質(zhì)和數(shù)學(xué)模型的問(wèn)題，有限元求解法的基本步驟是相同的，只是具體公式推導(dǎo)和運(yùn)算求解不同。
有限元求解問(wèn)題的基本步驟通常為：
(1)問(wèn)題及求解域定義：根據(jù)實(shí)際問(wèn)題近似確定求解域的物理性質(zhì)和幾何區(qū)域。
(2)求解域離散化：將求解域近似為具有不同有限大小和形狀且彼此相連的有限個(gè)單元組成的離散域，習(xí)慣上稱(chēng)為有限元網(wǎng)絡(luò)劃分。顯然單元越小(網(wǎng)絡(luò)越細(xì))則離散域的近似程度越好，計(jì)算結(jié)果也越精確，但計(jì)算量及誤差都將增大，因此求解域的離散化是有限元法的核心技術(shù)之一。
(3)確定狀態(tài)變量及控制方法：一個(gè)具體的物理問(wèn)題通�？梢杂靡唤M包含問(wèn)題狀態(tài)變量邊界條件的微分方程式表示，為適合有限元求解，通常將微分方程化為等價(jià)的泛函形式。
(4)單元推導(dǎo)：對(duì)單元構(gòu)造一個(gè)適合的近似解，即推導(dǎo)有限單元的列式，其中包括選擇合理的單元坐標(biāo)系，建立單元試函數(shù)，以某種方法給出單元各狀態(tài)變量的離散關(guān)系，從而形成單元矩陣(結(jié)構(gòu)力學(xué)中稱(chēng)剛度陣或柔度陣)。為保證問(wèn)題求解的收斂性，單元推導(dǎo)有許多原則要遵循。對(duì)工程應(yīng)用而言，重要的是應(yīng)注意每一種單元的解題性能與約束。例如，單元形狀應(yīng)以規(guī)則為好，畸形時(shí)不僅精度低，而且有缺秩的危險(xiǎn)，將導(dǎo)致無(wú)法求解。
(5)總裝求解：將單元總裝形成離散域的總矩陣方程(聯(lián)合方程組)，反映對(duì)近似求解域的離散域的要求，即單元函數(shù)的連續(xù)性要滿(mǎn)足一定的連續(xù)條件�？傃b是在相鄰單元結(jié)點(diǎn)進(jìn)行，狀態(tài)變量及其導(dǎo)數(shù)(可能的話(huà))連續(xù)性建立在結(jié)點(diǎn)處。
(6)聯(lián)立方程組求解和結(jié)果解釋:有限元法最終導(dǎo)致聯(lián)立方程組。聯(lián)立方程組的求解可用直接法、選代法和隨機(jī)法。求解結(jié)果是單元結(jié)點(diǎn)處狀態(tài)變量的近似值。計(jì)算結(jié)果的質(zhì)量將通過(guò)與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則提供的允許值比較來(lái)評(píng)價(jià)并確定是否需要重復(fù)計(jì)算。
簡(jiǎn)言之，有限元分析可分成三個(gè)階段，前處理、處理和后處理。前處理是建立有限元模型，完成單元網(wǎng)格劃分；后處理則是采集處理分析結(jié)果，使用戶(hù)能簡(jiǎn)便提取信息，了解計(jì)算結(jié)果。
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