有限元法（Finite Element Method, FEM）是一种基于数值计算的工程分析技术，广泛应用于机械工程领域，用于解决复杂的结构、热力学、动力学等问题。
1. 结构强度与刚度分析（如图1）
应用场景：
应力与变形计算：分析机械零件（如轴、齿轮、连杆）或整体结构（如桥梁、飞机机身）在载荷作用下的应力分布和变形。
安全评估：通过比较最大应力与材料屈服强度，判断设计是否满足安全要求。
2. 疲劳与寿命预测（如图2）
应用场景：
循环载荷分析：模拟机械部件（如发动机曲轴、螺栓）在反复载荷下的损伤累积，预测疲劳裂纹萌生位置和寿命。
3. 振动与动力学分析（如图3）
应用场景：
模态分析：计算结构的固有频率和振型，避免共振（如机床主轴、涡轮机转子）。
谐响应分析：分析结构在周期性载荷（如电机振动）下的动态响应。
4. 热力学与热应力分析（如图4）
应用场景：
温度场模拟：预测设备（如发动机缸体、电子芯片）在热载荷下的温度分布。
热变形与应力：分析因温度梯度导致的热膨胀/收缩（如焊接变形、刹车盘热应力）。
5. 接触与摩擦分析
应用场景：
接触应力计算：分析齿轮啮合、轴承滚子与轨道间的接触压力分布。
摩擦磨损预测：优化表面处理工艺以减少磨损（如活塞环与气缸壁）。
6. 优化设计
应用场景：
拓扑优化：通过材料分布优化实现轻量化（如飞机桁架、汽车骨架）。
形状优化：调整几何形状以降低应力集中（如过渡圆角设计）。
7. 制造工艺模拟
应用场景：
成型过程分析：预测铸造、锻造、注塑等工艺中的缺陷（如缩孔、回弹）。
残余应力预测：评估焊接、热处理后的残余应力分布。
8. 多物理场耦合分析
应用场景：
流固耦合（FSI）：分析流体与结构的相互作用（如风力涡轮叶片的气动弹性）。
热-结构耦合：研究温度场与机械场的相互影响（如制动系统热衰退）。
9. 复合材料与非线性材料分析
应用场景：
各向异性材料：分析纤维增强复合材料（如碳纤维车身）的层间失效。
非线性行为：模拟橡胶密封件的超弹性变形或金属塑性成形。
10. 生物力学与医疗器械设计
应用场景：
植入物力学分析：优化人工关节（如髋关节假体）的受力分布。
生物组织模拟：研究骨骼、肌肉在载荷下的响应。
有限元法的核心优势
复杂问题简化：将连续体离散为有限单元，适用于任意几何形状。
成本与时间节约：减少物理试验次数，缩短产品开发周期。
多学科融合：支持结构、热、流体、电磁等多物理场耦合仿真。
高精度预测：结合材料非线性、边界条件非线性，提供高可信度结果。
图1汽车底盘的承载能力分析
图2航空发动机叶片的高周疲劳分析
图3汽车悬架系统的减振优化
图4激光切割过程中的热影响区分析
