在现代机械装备的设计中,通常采用有限单元法对结构进行优化和静动力学分析。本文针对两个横向课题工程实例的需求,即上肢康复机械臂的轻量化设计与大型仓储货架静动载荷作用的力学性能分析,针对结构模型的简化、单元类型的选择、约束形式的施加及等效载荷的作用等关键问题,进行了较为深入的分析与研究,并结合材料力学解析解的验证,得出了合理的计算分析结果。本文针对机械臂轻量化要求的具体分析,选择了拓扑优化分析方法,首先计算出结构质量最基本的空间分布,然后基于机械臂的工艺需求确定其具体的结构形式,在满足静动态强度和刚度的前提下,有效地减小了机械臂的质量和转动惯量,达到了轻量化设计的目的。本文所要分析的大型仓储货架的规模为2排×18列×7层,所形成的计算单元节点数达到6899076,其计算规模超出了实验室现有的计算能力,故本文充分利用了对称结构原理,对货架模型进行了合理简化,满足了现有算力的要求。针对仓储货架某一立柱突然断裂的动力学分析要求,本文通过对相关单元特性的分析研究,对突然断裂的立柱选择了生死单元法建立模型,其他立柱模型仍保持不变,有效地仿真了杆件的断裂,计算结果达到了课题需求方的要求。针对地震对仓储货架的影响,本文根据实际情况选择以地震横波作用分析为主,根据课题需求方指明的烈度要求,将地震横波的作用简化为对立柱底端单元节点的等效作用,得出了令需求方满意的分析结果。基于上述对有限元法基本理论与计算方法的研究和掌握,本文所实现的具体结果可归纳总结如下:(1)根据上肢康复机械臂和仓储货架结构的特点,简化结构,选取单元类型,建立有限元模型。(2)使用有限元方法对康复机械臂进行轻量化设计。分析康复机械臂结构的力学性能,根据上肢康复机械臂各部分结构重要性的不同将结构简化,建立有限元模型。根据康复机械臂的分析结果对主要受力零件水平臂板和立柱进行拓扑优化,根据拓扑优化结果精简模型,结构优化后结构质量明显减轻,康复机械臂重心向转动中心靠近,转动惯量变小,结构力学性能明显改善。(3)使用有限元方法对仓储货架进行静力学分析,分析仓储货架满载时仅受重力影响产生的变形和应力;对仓储货架进行瞬态动力学分析,以生死单元法模拟立柱断裂,分析结果仓储货架最大位移为4.1mm;对仓储货架进行地震响应谱分析,分析得仓储货架在水平地震荷载影响下位移为0.019mm。经过以上分析证明仓储货架的设计是合理的。