专利领域有限元行业应用现状研究

李咏梅

摘 要 本文闡述了有限元方法技术背景与发展历程，对有限元行业应用情况进行了举例分析，针对有限元行业应用在专利申请领域进行统计分析，对有限元方法应用的前景进行展望。

关键词 FEM;有限元;现状;原理;应用;专利领域;统计分析

前言

有限元法（Finite Element Method， FEM），是20世纪50年代末60年代初兴起的应用数学、现代力学及计算机科学相互渗透、综合利用的边缘科学。20世纪40年代，有限单元概念第一次被提出，在接下来的十几年里，Argyris 等人在结构矩阵分析方面取得了很大进展。1956 年， Turner， Clough 等人基于架位移法，在弹性力学平面问题上第一次成功尝试用有限元法来分析飞机结构，并得平面应力的精确解。 1960 年“有限元法”这个名称被首次提出。在随后的几十年里，随着现代力学、计算数学以及计算机技术的软件和硬件能力飞速发展，有限元法在机械、工程、材料和医学等领域得到了广泛应用[1]。

1FEM原理与工程实现

在有限元方法中将计算域离散剖分为有限个互不重叠且相互连接的单元，在每个单元内选择基函数，用单元基函数的线形组合来逼近单元中的真解，整个计算域上总体的基函数可以看作是由每个单元基函数组成的，则整个计算域内的解可以看作是由所有单元上的近似解构成。主要工程实现布置包括：

（1）划分单元网格;

（2）选定相应坐标系，按要求输入有关信息;

（3）使用程序进行计算;

（4）对计算成果进行整理分析，显示位移及应力。

2FEM行业应用

2.1 在生物医学中的应用

在对复杂人体力学结构进行力学分析时，力学实验几乎无法直接进行，而有限元数值模拟力学实验的方法则是一种有效手段。利用有限元力学分析，具有时间短、费用少、可处理复杂条件、力学性能测试全面及其重复性好等优点。另外，还可进行优化设计，指导对医疗器械的设计及改进，以获得更好的临床疗效。

2.2 在土木工程中的应用

ABAQUS是一套基于有限元方法的工程模拟软件，广泛用于建筑结构、桥梁工程、建筑结构等土木行业设计领域。也是目前建筑数字化设计的一个发展方向，发挥越来越突出的作用。

3专利领域中有限元在行业应用情况

3.1 在专利技术领域的具体应用分类

通过统计利用有限元相关技术的专利申请，目前涉及的有限元应用具体分为：G06F-电数字数据处理;G01N-借助于测定材料的化学或物理性质来测试或分析材料;G06T-一般的图像数据处理或产生;G01M-机器或结构部件的静或动平衡的测试;A61B诊断;外科;鉴定;G05B 一般的控制或调节系统;G01L测量力、应力、转矩、功、机械功率、机械效率或流体压力;B21D金属板或管、棒或型材的基本无切削加工或处理;冲压金属;B29C塑料的成型或连接，具体如图1所示，其中，有限元主要分布在分类号小类G06F中。选取截至目前公开日最近的1000篇专利，涉及G06F的专利有710篇，对其具体应用进行分析：有限元被广泛应用于有限元仿真、有限元软件、疲劳寿命评估、BP神经网络、动力学方程以及三维模型等领域。

3.2 全球有限元相关专利申请情况

通过统计全球FEM相关应用专利的申请情况，主要申请的专利集中在中国、日本。其中，中国申请的相关专利数量位居第一。针对国内FEM相关专利的统计，可以看出主要的申请专利集中在大专院校和企业，其中大专院校的专利申请位列第一。

4结束语

通过本文介绍可知，有限元法作为一种成熟的分析方法，已广泛应用于解决机械工程、复合材料 人体骨锵分析和其他各类问题中并取得了令人瞩目的成果。随着计算机技术的发展，计算能力的提高，有限元技术将会与虚拟现实技术等更多的先进技术结合，在更为广阔的领域得到应用和发展。

同时，也要认识到，虽然目前有限元法在国内已经得到了普遍应用，取得了大量的成就，同时专利申请量也位居全球第一。但是有很多专利是集中在大专院校，需要进一步转化到社会生产中。另外，与国外有限元的应用情况相比，国内的有限元工作依然有一定差距，特别是在生物力学中，因此在有限元的研究中，为解决实际的临床问题仍然需要不懈地努力。

参考文献

[1] 牛晓敏，夏亚涛.有限元方法应用研究现状[J].科技致富向导，2013（23）：253-253.