有限元方法在結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域的應(yīng)用，本質(zhì)上就是利用有限元方法求解結(jié)構(gòu)力學(xué)問(wèn)題。這就是有限元結(jié)構(gòu)分析的實(shí)質(zhì)。既然求解的都是力學(xué)問(wèn)題，不懂力學(xué)知識(shí)是行不通的。計(jì)算的結(jié)果都有哪些，代表什么含義？以空間軸對(duì)稱(chēng)問(wèn)題為例，共有10個(gè)基本未知量，包括2個(gè)位移分量、4個(gè)應(yīng)變分量以及4個(gè)應(yīng)力分量。ANSYS或ABAQUS等軟件計(jì)算的可以查看的也就是這些量。

有限元方法作為一種通用的數(shù)值計(jì)算方法，分析人員有必要對(duì)有限元方法的理論背景有深刻的了解。這一點(diǎn)很重要，也是能做好仿真分析的一個(gè)前提。

有限元方法的基本解題思路是通過(guò)對(duì)求解域的離散，用一系列單元的組合體來(lái)近似描述實(shí)際的結(jié)構(gòu)。各單元按照假設(shè)的變形模式發(fā)生變形，但是在相鄰單元的公共節(jié)點(diǎn)上，各單元需要保持一致的變形，這一點(diǎn)稱(chēng)為變形的協(xié)調(diào)。出于求解線性方程組的需要，載荷在計(jì)算時(shí)需要等效到節(jié)點(diǎn)上，這時(shí)與節(jié)點(diǎn)相連接的全部單元共同抵抗外力的作用，對(duì)節(jié)點(diǎn)建立平衡條件即可建立求解方程。

有限元方法的位移模式首先要包含剛體位移模式，然后我們又希望在網(wǎng)格加密后能夠逼近真實(shí)解，這在客觀上又需要單元具備常應(yīng)變位移模式。位移模式還需滿足公共節(jié)點(diǎn)的變形協(xié)調(diào)條件，使得相鄰單元在交界面不開(kāi)裂也不重疊?；谖灰颇Ｊ?，得到節(jié)點(diǎn)位移后即可得到單元內(nèi)任意點(diǎn)的位移，進(jìn)而得到應(yīng)變和應(yīng)力。實(shí)際上，由于軟件采用了等參變換和數(shù)值積分技術(shù)，實(shí)際計(jì)算的僅僅是有限位置的應(yīng)變和應(yīng)力。

在對(duì)力學(xué)和有限元知識(shí)有了必要了解的基礎(chǔ)上，接下來(lái)就是具體的分析實(shí)踐了。我們的指導(dǎo)思想是用理論來(lái)指導(dǎo)實(shí)踐，在實(shí)踐中加深對(duì)理論的認(rèn)知。這樣就能夠很好地回答如何建模、如何分析、分析結(jié)果對(duì)不對(duì)等一系列根本性問(wèn)題！

一般來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)仿真分析包括幾何模型準(zhǔn)備、部件連接裝配、劃分單元、施加約束與荷載、求解設(shè)置、結(jié)果后處理等六大關(guān)鍵環(huán)節(jié)。任何一個(gè)環(huán)節(jié)不得要領(lǐng)，都會(huì)導(dǎo)致仿真分析效率低下、結(jié)果失真甚至是徹底的失敗！

在幾何模型的準(zhǔn)備環(huán)節(jié)，關(guān)鍵性的一個(gè)問(wèn)題是根據(jù)構(gòu)件的特點(diǎn)，選用合適的單元類(lèi)型來(lái)模擬。不同的單元類(lèi)型在客觀上就要求不同的建模方案和幾何準(zhǔn)備方法。

最為簡(jiǎn)單的是實(shí)體結(jié)構(gòu)，板殼和桿系結(jié)構(gòu)作為抽象的結(jié)構(gòu)類(lèi)型，建模過(guò)程相對(duì)要照顧更多的細(xì)節(jié)。不過(guò)即使是3D實(shí)體結(jié)構(gòu)，其原始的幾何模型也并不完全適合于仿真分析，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。

在幾何模型準(zhǔn)備完成的基礎(chǔ)上，接下來(lái)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)就是模型的裝配與連接。請(qǐng)注意，這里所說(shuō)的模型裝配不是指各部件的幾何裝配，而是指各部件在受力關(guān)系意義上的裝配。常見(jiàn)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(guò)這些連接，各構(gòu)件之間才可以傳遞力的作用。

對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，是有限元方法的內(nèi)在要求。網(wǎng)格劃分的控制包含總體控制和局部控制兩大類(lèi)。一般而言，局部控制選項(xiàng)具有更高的優(yōu)先級(jí)。通常可以在可能的應(yīng)力集中區(qū)域細(xì)化單元或采用高階單元，以獲得更高的應(yīng)力解答精度。

由于結(jié)構(gòu)總體剛度矩陣的奇異性質(zhì)，邊界條件（載荷也看作邊界條件）成為問(wèn)題能否正確求解的關(guān)鍵。很多人在執(zhí)著于劃分一個(gè)好看的網(wǎng)格上花費(fèi)了大量精力，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(wèn)題也僅僅是誤差層面；但是邊界條件不正確的話，整個(gè)分析就完全做錯(cuò)了。根據(jù)實(shí)際受力情況來(lái)施加合理的邊界條件才是問(wèn)題正確求解的關(guān)鍵。

結(jié)構(gòu)分析的類(lèi)型及求解選項(xiàng)同樣十分重要。選擇合適的求解模塊，不僅是問(wèn)題獲得正確解答的需要，而且可以使得分析過(guò)程變得事半功倍。在確定了合適的分析類(lèi)型后，還需要正確設(shè)置相關(guān)的分析選項(xiàng)。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)檎沁@些選項(xiàng)實(shí)際控制分析的進(jìn)程。

當(dāng)計(jì)算完成后，結(jié)果的查看和評(píng)估也是必要的環(huán)節(jié)。軟件后處理的操作是很容易的，但是大部分新手并不能有效地分析和驗(yàn)證結(jié)果的正確性，網(wǎng)絡(luò)視頻課程當(dāng)中卻很少會(huì)涉及這類(lèi)問(wèn)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)方案，甚至優(yōu)化后比優(yōu)化之前的還要差，仿真分析越搞越迷茫。這些現(xiàn)象說(shuō)到底還是沒(méi)有一個(gè)好的方法論作為指導(dǎo)。

綜上所述，結(jié)構(gòu)仿真分析要有正確的方法論作為指導(dǎo)思想，在實(shí)踐過(guò)程中又要以六大關(guān)鍵難點(diǎn)作為抓手，貫徹“用理論指導(dǎo)實(shí)踐、實(shí)踐中認(rèn)識(shí)理論”的原則，只有這樣，仿真分析才能不斷積累經(jīng)驗(yàn)，越做越有信心。