基于有限元分析的工程机械工业设计创新研究

基于有限元分析的工程机械工业设计创新研究

刘公正

身份证号：150123198507022612

摘要：目前，在工程机械行业，工业设计的应用更加普遍，国内大型制造商生产的新产品几乎可以看到工业设计的阴影。但工程机械开发周期长、环节多、技术集成复杂、对大量节点物理性能要求苛刻等因素，给工业设计团队带来很大挑战，设计效果不理想。这不仅反映了我国整体工业设计与其国外的差距，而且与工程行业的特点密切相关。因此，对于工业设计团队来说，正确、全面地理解工程机械领域的工业设计需求是设计的首要任务。基于此，本篇文章对基于有限元分析的工程机械工业设计创新进行研究，以供参考。

关键词：有限元分析；工程机械；工业设计；创新研究

引言

工程机械属于典型的技术导向型产品，其价值体现在有效完成特定任务的能力上，主要指标主要包括技术先进性、功能效率、性能稳定性等。工程机械产品自主创新能力、设计制造水平和自主建设是一个国家制造业综合水平的综合体现。我国工程机械行业生产能力雄厚，市场前景广阔，生产规模和质量及类型多样，达到较高水平，出现了三一实业、中联、徐营群、山河智能等具有国际竞争力的优秀大型企业。但是，随着国家提出从中国制造向强国制造的转变，工程机械行业开始进入一个既注重功能技术又注重产品形象的新时代。由于一些陈旧观念或错误观念的影响，导致国内自有工程机械产品企业缺乏工程机械产品造型设计思想，制约了工程机械领域的工业设计创新和品牌形象建设，导致品牌形象混乱、痕迹明显模仿、同质化严重等情况。

1工程机械与工业设计

工程机械是工业设备的重要组成部分，产品种类分为起重机械、叉车、挖掘机、打桩机、掘进机等。不同的国家有不同的名称:德国叫建筑机械和设备，美国和英国叫建筑机械和设备，俄罗斯叫建筑机械和设备，日本叫建筑机械，我国叫建筑机械。工程机械属于典型的工艺导向型产品，技术的先进性、功能效率、性能稳定性等是其核心。工程机械产品自主创新能力、设计制造水平和自主创造能力是国家制造业综合水平的充分体现。工业设计范围客观、具体，主要面向批量生产的工业产品，是从用户和企业的角度解决产品的概念、形状、颜色、结构、功能、人机界面等方面的具体问题，同时在因此，工业设计在工程机械领域的应用和研究至关重要。

2工程机械发展背景

20世纪50年代，中国工程机械行业在薄弱的产业基础上起步，响应国家建设的迫切需要，主要是制造功能性产品。而在相当长的一段时间内，许多原因导致了工程机械行业发展缓慢。20世纪70年代末，当一批重点国有企业开始引进国外产品和技术时，改革开放的号角一响，为走向现代化奠定了基础。90年代进入快速发展阶段，中国巨大的市场吸引了大量外资企业，促进了技术进步和工程机械行业规模的扩大。进入21世纪，中国工程机械企业纷纷进入国际市场，出现了徐工、谷歌健康投资、三一集团、奇瑞咨询等国际一流制造商对国内工程机械行业来说，发展时间短、速度快，前期只注意技术引进的指导思想，制约了产品工业设计的同步发展。国内机械工业得到了很大发展，技术水平已经足够成熟，趋同，企业之间很难通过技术竞争拉开差距，工业设计也成为新的核竞争力。

3基于有限元分析的工程机械工业设计创新方法应用

我们以小型智能扫路机清水箱和垃圾箱为例来介绍基于有限元分析的工程机械工业设计实践应用。在产品结构设计还未全面开展之际，工业设计人员首先针对扫路机的外观造型和结构进行概念创意设计，一般使用草图手绘或计算机辅助数位板进行方案设计，最终形成若干草图概念方案。由于最终的方案是由概念创意方案演变而来，所以此时的概念关系到对象的各个性能指标，不同的概念方案，会需要不同的材料和制造工艺来实现，这就会造成差异化的结构，并影响产品可靠性。在此阶段，需要运用箱体部件过往的有限元分析规律和实际总结，对不同概念方案带来的影响和后果进行初步的分析，以此作为概念创意方案筛选的重要依据。经过多方位的可行性评估，最终形成一到两套设计深化的备选方案。在确定了深化的概念方案之后，工业设计人员利用曲面造型软件Rhino或Alias对箱体部件建立三维数据模型，并保证部件模型的曲面连续性，然后交于结构设计人员在UG或其他工程软件中进行三维工程模型的建立，将曲面模型转化为实体模型。随后有限元分析人员将模型导入到ANSYS有限元软件当中，由于箱体模型一般具有较复杂的曲面，限元网格的大小和形状会直接影响计算精度和计算时间，因此划分有限元网格时必须加以控制，在网格划分完成之后，便可以定义箱体的材料特性，从而得到有限元模型。最后根据实际工况，对箱体部件施加边界载荷约束，进行强度校核及优化。此过程往往需要重复多次，结合箱体部件的结构、工业设计、工艺等需求，最终确定产品试制方案。在产品试制阶段，有限元分析人员利用试验设备，测量箱体工况条件下的应力应变数据，将实验测试得到的数据与CAE计算结果进行对比分析，修正CAE模型的重要参数（如边界条件、载荷添加和可靠性评估）。并根据修正结果，对有限元分析进行优化和验证，并将优化意见反馈于结构和工业设计人员进行批量生产前的最后设计定型。

4工业设计在工程机械上的应用原则

工业设计的全面应用，意在提供更出色的用户体验，为企业提供更丰厚的综合收益。原则有以下几点：有助于彰显产品优秀的工作性能；提高产品的科技感，这是人们评价工程机械的认知基础；定量和定性的人机工程学全面结合应用，出色的人机交互性能是当前客户最为重视的工业设计改良；优化的工业设计方案应该能良好地控制成本，这能让新的设计方案更容易为企业所接受，实现这一点最有效的方法是提高产品的标准化率。

5基于产品形象的工程机械工业设计

5.1 产品形象设计的内涵

近年来，企业形象设计理念在我国不断发展，企业形象设计是指产品标志和字体以及色彩等的传递，共同展示视觉设计和行为，实现企业产品视觉的标准化和系统化，增强企业客户的认同，促进企业的可持续发展。产品形象主要向人们展示企业信息和内在品质。通过产品形象设计，有利于树立企业品牌，树立良好的企业形象。在产品使用过程中，企业信息和品牌信息被传递给更多的人，提高了公众的自我意识。通过产品视觉传达系统，可以提升企业的冲击力，整合视觉产品和内部特征，充分传达企业的信息。共同提高企业的独特性和知名度，帮助更多人认可和接受企业的产品。

5.2产品形象设计的具体应用

为了生产出性能优异的产品，设计人员需要结合企业文化，通过产品形象展示企业产品，使人们能够更好地接受产品，并在设计过程中不断创新，打造独特的品牌风格。为了提高整体设计水平，设计人员需要不断提高自身的质量水平，在产品设计过程中，有效管理产品形象设计，调整发展机制，建立形象研究组织，进行长远规划，提高产品开发能力，通过市场调研奠定设计基础。机械产品的精确定位设计整体形象，合理选择设计方案，形成工程机械的系统工业设计，有效统一机械产品进行形象设计，进一步优化企业形象。我国工程机械行业在整个企业项目规划过程中，不仅需要在一定阶段深入挖掘工业设计的作用，还需要通过产品生产和销售等环节的工业设计来重构产品，以整合工业设计思维，发挥用户需求的导向作用，为用户提供优质服务和精心制作的产品，通过持续创新发展提高客户的认可度。

结束语

随着我国经济、科技和文化的飞速发展，中国工程机械行业已经成为世界不可忽视的重要力量。但由于行业缺乏工业设计理念的整合，导致国内工程机械产品在性能、技术、质量等刚性指标不逊于国外同行的情况下，在品牌形象和竞争力上都明显处于弱势。工业设计不会也不能取代工程设计、管理、市场营销等其他领域在工程机械产品中的作用和功能，但它可以提供完善而实用的企业转型思路、理论和具体的方式方法，特别是为正在进行或准备进行变革的中国工程机械企业找到一条有利发展的道路。

参考文献

[1]高清冉,姚亚平.机械设计的有限元分析及结构优化[J].南方农机,2020,51(21):135-136.

[2]刘志刚.有限元分析的开式预弯机轻量化设计[D].青岛大学,2019.000382.

[3]赵超.数控铲磨床机械设计与有限元分析[D].西安工业大学,2018.

[4]于洪玉.基于有限元分析的平板电脑支架设计[D].福州大学,2018.

[5]张兴朝.基于有限元分析的模块化数控机床结构动态设计研究[D].天津大学,2018.