有限元分析规则

1. 目的与范围

为规范本公司机械产品结构有限元分析流程与原则，特制订本规定。

本标准规定了本公司开发设计产品的机械结构有限元力学分析的类型、分析流程、一般

要起、模型建立规则、有限元分析方法、结果评估、结果输出以及报告编写。

2. 规范性引用文件

下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其

随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。

GB/T2298 机械振动、冲击与状态监测 词汇。 GB 3100 国际单位制及其应用

GB 3101 有关量、单位和符号的一般原则 GB/T10853 机构与及其科学词汇

GB/T26099.1 机械产品三维建模通用规则 第一部分：通用要求 GB/T31054 机械产品计算机辅助工程 右边缘数值计算 术语 GB/T 33582 机械产品结构有限元力学分析通用规则

3. 著述类引用文件

有限元分析及应用 曾攀 清华大学出版社 限单元法基本原理和数值方法 王勖成,邵敏 清华大学出版社 有限元方法基本原理 监凯维奇 清华大学出版社 …

4. 定义或术语

本标准主要采用GB/T 33582 中的有关术语。 4.1. 有限单元法（FEM ）

将一个表示结构或连续体的求解域离散为若干子域（单元），并通过他们边界上的节点相互联结成为组合体，用每个单元内所假设的近似函数来分片地表示全求解域内待求

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F

的未知变量，利用变分原理和加权残值法，建立求解基本未知量的代数方程组合微分方程组，用数值方法求解此方程，从而得到问题的解答。 4.2. 有限元分析（FEA ）

以弹性力学为力学基础，以加权残值法或泛函极值原理为方程求解原理，以数值离散

技术为实现方法，以有限元分析软件为技术载体，并最终基于计算机硬件平台来处理实际问题的方式。 4.3. 三大类变量

位移、应力、应变 4.4. 三大类方程

几何方程、平衡方程、物理方程

5. 分析类型

5.1. 结构静力学分析

当结构惯量、阻尼对所分析目标机械产品的性能参数影响可以忽略时，采用静力学分析。 5.2. 结构动力学分析

主要包括模态分析、谐响应分析、谱分析、瞬态动力学分析。当结构惯量、阻尼对所分析目标机械产品的力学性能影响不可忽略时，需采用动力学分析。

6. 有限元分析流程

机械产品结构有限元力学分析流程主要包括：有限元建模、有限元分析、有限元分析结

果评估、有限元结果输出及分析报告编写。具体参见附录A 。

7. 一般要求

7.1. 有限元模型建立前，应根据机械产品的结构特点、载荷和约束（或者边界条件）特点、

分析目的、仿真周期和计算资源制定有限元分析方案（包括建模方式、模型简化方法、单元类型选择）。

7.2. 几何模型简化时，在确保关注部位有限元分析精度的前提下尽可能的简化结构的棱角、

小凸台、小凹槽、圆角、倒角等几何模型细节特征。

7.3. 单元选择时，应根据机械产品几何模型、载荷及约束特点和有限元分析的类型与目的，

合理选择单元类型，以保证计算精度，节省计算资源。

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F

A

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7.4. 网格划分时，应粗化应力缓慢变化的区域，细化应力急剧变化区域；粗化不关注区域（仅

为力传递而建入模型的区域）、细化关注区域。

7.5. 分析模型和计算结果评估应根据分析类型和试验结果进行。（不具备或不便进行试验的

情况下，分析结果的评估应根据理论简化计算结果以及可参照类比的结构分析结果进行）

7.6. 分析结果应根据有限元分析的目的和要求输出。

8. 模型建立规则

8.1. 坐标系

坐标系由右手定则来确定，根据拟分析机械结构的特点可以采用笛卡尔坐标系、柱坐标系或者球坐标系。

有限元分析建模时应定义全局坐标系，当模型载荷、约束或者结果显示需求与全局坐标系不一致时，为建模、计算、输出方便可以建立局部坐标系、节点坐标系、单元坐标系、结果坐标系。 8.2. 单位制

单位制的选择应根据机械产品特点选择SI 单位制或其他单位制，但模型内的单位制必须统一。例如，力的单位为N ，长度单位为m ，应力单位则为Pa 。 8.3. 几何模型构建 8.3.1. 构建原则

8.3.1.1几何模型应简洁准确地表达拟分析机械产品结构设计信息。 8.3.1.2在满足要求的情况下，尽量使模型简化。 8.3.2. 构建要求

几何模型的构建应符合以下要求：

a) 几何模型的命名应采用有限元软件可识别的字符，并保持唯一性； b) 几何模型按1:1的比例关系建立；

c) 长细比大于8的结构，宜选取中间轴线构建；

d) 典型结构尺寸与壁厚比值大于10的结构，宜选取中性面构建； e) 不适合采用线、面构建的结构以及结构的关键部位，应采用实体构建； f) 可以采用导入实体模型建模方式，导入前根据产品结构特点、分析目的对模型进行合理的简化；

g) 导入模型的中间格式可以采用IGES 或STEP 格式。

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F

8.4. 有限元网格划分 8.4.1. 单元类型选择

机械产品单元类型的选择应能反应不同部件的结构形式，有限单元类型包括零维单元、

一维单元、二维单元、三维单元。建模时应根据结构的几何特点及需求，合理选择单元

类型。

8.4.2. 单元阶次选择

8.4.2.1 结构形状不规则、变形和应力分布复杂时宜选用高阶单元。

8.4.2.2 计算精度要求高的区域宜选用告诫单元，精度要求低的可选用低阶单元。

8.4.2.3 不同阶次单元的连接位置应使用过渡单元或多点约束等。 8.4.3. 网格疏密控制

8.4.3.1 应对结构突变、曲面曲率变化大、载荷变化大或不同材料连接的部位进行细化； 8.4.3.2 单元尺寸过渡平滑，粗细网格之间应有足够的单元进行过渡，避免相邻单元的质量和刚度差别太大；

8.4.3.3 应力响应关注区域的网格密度应大于位移响应关注区域的网格密度； 8.4.3.4 主承力方向的单元尺寸应较小，垂直于该方向的单元在满足质量要求时可以将尺寸稍作放大；

8.4.3.5 在网格细化与高阶单元选择方面，应综合考虑计算精度与计算资源，网格密度较大时，应采用低阶单元。 8.4.4. 网格划分

8.4.4.1 应保留主要的几何轮廓线，网格应与几何轮廓保持基本一致；

8.4.4.2 对于实体单元网格，在结构厚度方向上应确保三层以上；

8.4.4.3 对称结构宜采用对称网格；

8.4.4.4 应使网格内角相差不大、网格面不过分扭曲、边节点位于边界等分点附近，避免出现畸形网格；

8.4.4.5 对于面和实体结构，尽量采用四边形（六面体）单元。 8.5. 材料属性设置

8.5.1. 材料属性单位应与几何模型单位制一致；

8.5.2. 材料属性输入信息应准确完整，满足产品结构分析目的要求；

8.5.3. 经过试验验证的材料属性信息宜作为数据积累，为材料属性设置作参考。 8.6. 边界条件施加

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