15 Common Mistakes in FEA：FEA中的15个常见错误
文章翻自一位具有20多年从业经验的航空航天领域的结构工程师。作者Dominique Madier，来自法国拉罗谢尔，获得过机械和航空工程方向的硕士学位，先后在空客、达索航空、赛峰等企业工作过，为庞巴迪宇航公司、贝尔直升机等提供业务服务，参与过A340、A380等产品项目的开发，出版了机械领域有限元分析的图书，一直活跃在结构工程和有限元分析领域。
如今，有限元分析（FEA）被广泛应用于许多产品的设计初期。借助 FEA，开发过程能够迅速朝着正确的方向推进，避免出现代价高昂的错误。
FEA使得在更短的设计周期内交付高质量产品成为可能。然而，FEA分析师运用这种方法的能力却是一个问题。工程师在没有接受过专门训练的情况下，难以正确使用这种方法。
事实上，工程师必须遵循特定的方法和指南，以确保他们的模拟能够准确预测现实情况。以下是使用 FEA 进行结构分析时，在解决固体力学问题时最常遇到的错误。
错误 #1：在不清楚分析目标的情况下进行FEA
在开始建模之前，重要的是要花时间确定 FEA 的目标。我建议你回答这个问题：“FEA 应该捕捉什么？”
对所有目标的精确定义对于确定建模技术以及你将使用的解决方案至关重要，并且会影响你在构建过程中所做的许多假设。例如，用于建模线性和非线性问题的建模技术是不同的。还有不同的建模技术用于捕捉组件特定区域的峰值应力与整个组件的刚度也有差异。
作为一名 FEA 分析师，你可能不是 FEA 的唯一用户或最终用户。其他许多工程师可能会使用它（客户）。因此，你必须与客户沟通，以明确定义 FEA 的目标。这一步将确保所有利益相关者都理解其目的以及其能力和局限性。
目标是确保在 FEA 开发过程中做出正确的假设，并且每个人都理解 FEA 将捕捉到的所有影响。
以下是一些目标的例子：
给定载荷下的刚度？
峰值应力？
接触载荷？
应力集中效应？
极限强度？
载荷分布（载荷模型）？
热应力？
疲劳寿命？
设计优化？
不稳定性？
非线性效应（几何、材料或接触）的模拟？
动态效应（振动、频率响应、瞬态）的模拟？
错误 #2：在不了解所分析现象的物理原理的情况下进行 FEA
FEA 软件可以解决各种单物理场和多物理场问题，包括结构问题以及热传递、流体动力学、声学、磁学和电场问题。因此，了解所分析现象的物理原理是基础。
结构工程师使用 FEA 来确保结构具有必要的强度、刚度或寿命，以防止因应力过大、共振、屈曲或有害变形而危及结构完整性。因此，在使用 FEA 建模机械系统之前，你需要具备的最重要的素质是工程判断力和扎实的普通物理背景（静力学、动力学和材料力学）。
错误 #3：在不了解结构可能的行为的情况下进行 FEA
为了构建一个可靠的有限元模型（FEM），使你能够做出有用的预测，你需要深入研究所涉及的机械系统。你需要了解系统的环境以及它对外部激励的反应。不要过于关注用 FEA 来预测你的机械系统将如何反应，而是反过来，了解系统在现实生活中的行为，以建立可靠的模拟。
运用你的工程知识来创建一个能够代表机械系统和外部激励的 FEM。这将把实际的机械系统转化为一个可以提供有用预测（如位移、应力、应变和内力）的模型。你必须了解你希望建模的机械系统的真实行为，并能够在开始建模工作之前预测其行为。
错误 #4：使用错误单元类型
作为一名 FEA 分析师，你需要对打算建模的部件的几何形状进行离散化。在离散化过程中，你需要从库中选择单元。FEA 软件库包含大量用于建模的单元。
选择单元类型是你作为 FEA 分析师将做出的最基本的决定之一。库中的每个单元都与一个单元族相关联，每个单元族族都包含具有 1D、2D 或 3D 的具体单元。因此，在开始建模工作之前，需要对各种可用单元族有精确的了解。根据被建模部件的结构行为、单元的能力、计算时间和所需的精度，从一个或多个单元族中选择合适的单元来正确地建模。
错误 #5：定义不切实际的边界条件
在创建有限元模型（FEM）的过程中，定义边界条件是许多工程师做出错误假设的阶段。边界条件的主题不太为 FEA 初学者所理解，但即使是经验丰富的工程师在正确定义它们时也会遇到困难。边界条件对分析结果有重大影响，定义它们时的微小错误可能会导致正确和错误模拟之间的差异。
为了正确定义模型的边界条件，你需要遵循一种策略，允许你测试和验证它们。
边界条件在模拟过程中的作用包括：
在模型的特定区域固定位移的值
在模型的特定区域施加代表性载荷
替换模型中未建模的部分以简化模型
错误 #6：忽略网格收敛研究
作为一名 FEA 分析师，你的目标是以非常高的精度预测结构的真实行为。精度与用于离散化部件的网格质量和网格密度直接相关：通常随着单元变小（网格细化），计算出的解接近真实解。
网格细化过程是开发一个能够让人对模型和结果有信心的有限元模型（FEM）的基本步骤。网格细化是用直边单元表示曲面或边缘所必需的。显然，如果网格细化，边界几何形状将得到更好的表示。
根据定义，从数值精度的角度来看，收敛的网格是在引入网格细化时不会在结果中产生显著差异的网格。当构建一个模型以捕捉峰值应力或应变时，网格收敛是一个问题。如果存在测试结果（如应变片记录）用于你的部件，很容易确定捕捉正确应力所需的网格密度。不幸的是，在开始网格化过程之前，你通常不会有这样的记录。因此，必须对峰值应力区域进行收敛研究，以确保网格足够细，能够正确捕捉感兴趣的现象和关键应力。
错误 #7：后处理错误
如今，有限元模拟被用来模拟非常复杂的结构和机械系统。得益于现代计算机的巨大计算能力，可以解决极其精细的有限元模型（FEM），其结果是产生了大量的输出数据，这就是后处理发挥作用的地方。后处理通常被定义为“结果解释的艺术”。求解器生成的结果数量如此之大，以至于 FEA 分析师需要使用专门的软件，称为后处理软件，来组织和解释这些结果。
为了正确从模拟中提取结果，FEA 分析师需要遵循许多规则。另一个在后处理应力或应变时的重要主题是奇点的处理。
错误 #8：避免建模接触
接触定义了部件如何相互作用，通常用于理解装配体内的行为和载荷传递。接触在 FEA 模拟中非常重要，因为它们允许多个体相互作用，而无需向模型中添加元素。
在模型中使用接触条件有其优势，因为可以更真实的构建模型之间的行为，但它们的增加会使模拟的计算复杂性显著增加，许多参数需要由 FEA 工程师进行设置。
默认情况下，FEA 软件不会假设模型中各体之间存在接触。是用户必须指定接触发生的位置。接触问题在于很小的参数变动也可能会导致系统响应发生巨大变化。因此，当使用接触条件时，进行稳健性研究以检查数值参数的敏感性是很重要的。
在模型中使用接触可能会导致收敛问题，并需要更长的计算时间。它可能需要你作为 FEA 工程师师具备更高级使用经验。因此，关于是否在模型中建立接触的问题出现了：如果不考虑分析中的接触条件，模型将如何响应？
请记住，有些情况下，不使用接触条件并不会改变结果。而在有一些情况下，它们的使用将完全改变模型的响应和内部载荷分布。对上述问题的答案取决于你的判断能力。
错误 #9：运行错误的解决方案
为了正确地在模拟中捕捉到正确的行为，你将需要运行正确的解决方案。这是一个重要的选择，因为FEA 软件包提供了广泛范围的解决方案，以解决不同类型的物理行为。
为了选择正确的解决方案，你需要定义以下内容：
你的问题是静态的还是动态的？
它是线性问题还是非线性问题？
如果是非线性问题，它是什么类型的非线性？
如果是接触问题，是什么类型的接触？
错误 #10：忽视验证和确认（V&V）
在 FEA 中，无论是粗心的用户还是经验丰富的工程师，如果不系统小心地验证他们的模型，都很容易犯重大错误。有时，基于错误答案的决策可能会在时间和金钱方面带来昂贵损失。FEA 是有要求的，因为 FEA 工程师师不仅需要精通力学，还必须精通数学、计算机科学，尤其是 FEA 本身。
因此，当使用 FEA 解决问题时，重要的是要采用验证和相关性程序。当在设计初期没有测试数据可用于验证 FEA 时，你必须采用方法来验证其质量并确保没有错误。再后来，当有测试数据可用时，必须将测试数据与 FEA 进行相关性分析，以确保抽象的物理现场不会隐藏在产品已经制造后出现的真实物理过程中。
完整的验证和确认过程包括：
精度检查
数学检查
与测试数据的相关性分析
错误 #11：使用不一致的单位系统
大多数 FEA 软件是无单位的。你需要选择自己的单位系统并一致使用。你可以自由选择单位系统，但请注意输入数据的单位与获得结果的单位之间存在联系。大多数后处理软件也是无单位的，因此，从建模阶段到后处理，你必须保证单位的一致性。
错误 #12：仅依赖图形
我应该警告使用有限元方法解决日常问题的工程师，FEA 是你工作中强大的工具，但它不能取代你的工程判断。有限元方法使你能够准确地解决非常复杂的问题，但只有遵循良好的建模实践时才能如此。最终，你作为工程师的逻辑和力学意识是不可替代的。
FEA 并不仅仅是关于了解软件，而是关于理解被建模结构背后的物理原理以及其部件的真实行为。与对建模过程的理解相比，FEA 软件本身的重要性经常被高估，这为工程师设下了一个陷阱，他们可能会更多地基于结果云图方面而不是工程数据来做出 FEA 判断。通过良好的建模实践并在模型开发过程的每个阶段运用你的工程判断，你可以避免这种陷阱。
大多数 FEA 初学者更关注结果云图方面而不是工程数据和建模技术，但这很难责怪他们，因为模拟的关键因素通常隐藏在软件界面之后。此外，新的工程师通常在几乎没有培训的情况下被分配 FEA 角色，这也是很常见的。
请始终记住，FEA 软件只是一个用于解决无法快速解决的复杂方程组的“黑箱”，FEA 仅仅是用于辅助你进行结构分析的工具。如果你没有掌握正确的建模技术，你可能会向求解器提交一个错误的方程组。
错误 #13：不记录 FEA
从工业角度来看，FEA 及其相关结果必须在项目完成多年后仍可追溯。如今的大多数 FEA 文档主要关注结果。
然而，这些结果受到许多参数的影响，因此应该记录模拟的所有假设。FEA 文档有许多目的：
介绍假设条件
跟踪用于执行 FEA 的数据
为后续分析提供基础
允许 FEA 工程师复 制分析过程
允许人员培训
在公司内部建立 FEA 专业知识
提供涉及责任时的法律文件
FEA 文档应提供足够的细节，以便任何 FEA 分析师可以复 制、验证和确认 FEA。根据 FEA 的分析性质，文档可能会有所不同，具体取决于某些有限元模型中使用的特定参数。然而，一些信息对所有 FEA 来说都是共同的，应该出现在所有文档中：
模型识别
几何来源
模型假设
模拟参数
验证和相关性
最后， FEA 文档的目标受众不仅仅是 FEA 工程师。因此，所有报告工作都应该以建立对模型的信心为目标。
错误 #14：不遵循良好的建模实践
FEA 的主要危险在于不知道 FEA 软件给出的答案是否正确。为了解决这个问题，你必须遵循最佳建模实践，并使用由先前用户定义的经过验证的建模技术。
许多 FEA 工程师由于不了解基本的 FEA 规则而做出错误的假设并产生有缺陷的分析。对良好建模技术的良好了解使你能够使用广泛的工具，使你能够做出正确的假设和选择，以使用模拟准确地建模和解决问题。
错误 #15：假设有限元分析是保守的
