有限元分析到底難在哪里？這六個(gè)環(huán)節(jié)都有哪些“坑”？

導(dǎo)讀：隨著近年來CAE分析軟件應(yīng)用的普及，越來越多的人開始接觸有限元分析。這在10到20年前是無法想象的。在那個(gè)年代，仿真分析似乎還主要是科研人員寫論文才會(huì)涉及到的領(lǐng)域。

另一方面，會(huì)操作軟件并不等于掌握了分析能力，很多初學(xué)者僅僅是跟著網(wǎng)上的視頻學(xué)了一點(diǎn)軟件操作，根本沒有搞懂為什么這樣操作，這些操作所導(dǎo)致的結(jié)果到底對(duì)不對(duì)？更換應(yīng)用場(chǎng)景和載荷工況之后，必然再次陷入到“兩眼一抹黑”的困境中。

一般來說，有限元分析包括準(zhǔn)備幾何模型、模型裝配、網(wǎng)格劃分、約束與負(fù)載、求解設(shè)置、結(jié)果分析等六大關(guān)鍵環(huán)節(jié)。任何一個(gè)環(huán)節(jié)出問題，都會(huì)直接導(dǎo)致仿真分析效率低下、不準(zhǔn)確甚至徹底的失??！

那么，有限元分析到底難在哪里？這六個(gè)環(huán)節(jié)都有哪些“坑”？下文來為您解析。

1、準(zhǔn)備幾何模型

根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的特點(diǎn)，選用合適的單元類型來模擬。不同的單元類型在客觀上就要求不同的建模方案和幾何準(zhǔn)備方法。

（1）實(shí)體結(jié)構(gòu)

實(shí)體結(jié)構(gòu)是較為簡(jiǎn)單和直觀的結(jié)構(gòu)形式。不過要注意原始的3D幾何模型可能并不適合于直接用于仿真，通常還需要進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化、修復(fù)、添加用于加載的印記等操作。

（2）板殼結(jié)構(gòu)

板殼結(jié)構(gòu)多用于模擬薄壁結(jié)構(gòu)，通常是由薄壁的實(shí)體模型抽取直面得到幾何模型。對(duì)于中等厚度殼體可考慮按實(shí)體建模，然后用實(shí)體殼單元來模擬。

（3）桿系結(jié)構(gòu)

桿系結(jié)構(gòu)用于模擬桿狀構(gòu)件，如：桁架、梁等。幾何模型可以直接創(chuàng)建各構(gòu)件的軸線，也可由實(shí)體模型抽取軸線。

除了上述三種基本類型外，實(shí)際結(jié)構(gòu)還可以是各種基本類型組合而成的組合結(jié)構(gòu)。比如：實(shí)體-梁組合結(jié)構(gòu)、實(shí)體-板殼組合結(jié)構(gòu)、板殼-梁組合結(jié)構(gòu)等等，不同類型的結(jié)構(gòu)之間可通過多點(diǎn)約束方程技術(shù)實(shí)現(xiàn)連接。

2、模型的裝配

這里所說的模型裝配不是指模型各部件的幾何位置裝配，而是指各部件（構(gòu)件）之間的受力關(guān)系意義上的裝配。常見的裝配方式包括接觸、Joint節(jié)點(diǎn)、彈簧、梁、焊點(diǎn)、約束方程、網(wǎng)格連接等。通過這些連接，各構(gòu)件之間才可以傳遞力的作用。

3、網(wǎng)格劃分

用單元組合體來近似描述實(shí)際結(jié)構(gòu)，是有限元方法的內(nèi)在要求。網(wǎng)格劃分的關(guān)鍵在于網(wǎng)格劃分選項(xiàng)的控制，這些控制又可以分為總體控制和局部控制兩大類。一般而言，局部控制選項(xiàng)具有更高的優(yōu)先級(jí)。通?？梢栽诳赡艿膽?yīng)力集中區(qū)域細(xì)化單元，以獲得更高應(yīng)力精度。在靜力分析和低速動(dòng)力分析中采用高階單元一般可以提高解的精度。

4、約束與負(fù)載

由于結(jié)構(gòu)總體剛度矩陣的奇異性質(zhì)，邊界條件（載荷也可視為應(yīng)力邊界條件）成為問題能否正確求解的關(guān)鍵。很多人在執(zhí)著于劃分高質(zhì)量的網(wǎng)格上花費(fèi)了大量時(shí)間精力，但是邊界條件的施加方面卻十分隨意。 事實(shí)上，如果網(wǎng)格粗糙一些或者質(zhì)量差一些，造成的問題也僅僅是誤差層面；但是邊界條件不正確的話，整個(gè)分析就徹底失敗了。正因?yàn)槿绱耍鶕?jù)實(shí)際受力情況來施加合理的邊界條件是問題正確求解的關(guān)鍵。

5、指定分析類型與選項(xiàng)

結(jié)構(gòu)分析的類型及求解選項(xiàng)同樣是獲得正確解答的重要環(huán)節(jié)之一。

選擇合適的分析類型，不僅是問題獲得正確解答的需要，而且可以使得分析過程變得事半功倍。以柔性體的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析為例，就可以根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)簡(jiǎn)化為其他類型的分析，比如：動(dòng)力效應(yīng)不顯著可簡(jiǎn)化為靜力分析，載荷為簡(jiǎn)諧變化時(shí)可簡(jiǎn)化為諧響應(yīng)分析，已知瞬態(tài)載荷的響應(yīng)譜時(shí)可簡(jiǎn)化為響應(yīng)譜分析，構(gòu)件變形不顯著可以簡(jiǎn)化為剛體動(dòng)力學(xué)分析。 所以，根據(jù)問題特點(diǎn)選用合適的分析類型十分重要。在確定了合適的分析類型后，正確設(shè)置相關(guān)的分析選項(xiàng)也是題中應(yīng)有之意。在各種分析選項(xiàng)中，載荷步的劃分與時(shí)間步設(shè)置是最重要的選項(xiàng)，因?yàn)檫@些選項(xiàng)實(shí)際上控制了分析的整個(gè)進(jìn)程。

6、結(jié)果查看與分析

當(dāng)計(jì)算完成后，結(jié)果的查看和分析環(huán)節(jié)必不可少。軟件查看結(jié)果的操作是很容易的，但是大部分新手并不能有效地分析和驗(yàn)證結(jié)果的正確與否。網(wǎng)絡(luò)視頻當(dāng)中也幾乎不涉及這類問題的講解或討論。還有的分析人員不知道如何根據(jù)計(jì)算結(jié)果有效地修改設(shè)計(jì)方案，甚至修改之后比改之前還要差，仿真分析越搞越迷茫。

編者按： 以上這些問題，可能是每一個(gè)結(jié)構(gòu)分析人員必須面對(duì)，想系統(tǒng)地學(xué)卻又找不到地方學(xué)的

那么：

0基礎(chǔ)或者轉(zhuǎn)行做仿真可行嗎？

結(jié)構(gòu)分析師到底應(yīng)當(dāng)具備什么樣的知識(shí)體系？

理論基礎(chǔ)知識(shí)如何用到仿真分析的工程實(shí)踐？

仿真分析技術(shù)到底應(yīng)該怎么學(xué)？

有限元軟件到底怎么樣才能系統(tǒng)的入門和提升？

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審核編輯 ：李倩