【JY】结构工程分析软件讨论（上）

“大道至简，愿工程师们都能做到始知真放本精微”

    随着有限元分析软件应用的普及，逐步开始从过去仅局限于科研人员论文中的问题，发展成为设计工程师的分析任务。但是另一方面，设计人员未必具备分析人员的知识储备，很多人对于结构分析缺乏有效的思路，甚至有的分析人员完全没有材料力学等相关的基本概念，在结构分析中往往会陷入各种误区。

    对于日渐繁杂的各类有限元软件，来谈谈如何看待结构软件老生常谈的话题，针对结构工程软件在结构工程应用的个人角度思考：

结构分析的目标是什么？

首先，结构分析的目标不是获得结构行为的精确模拟，而是获得帮助做出设计决策的信息。但是并不意味，计算分析手段并不重要，尽管各类软件存在计算或者假定缺陷，工程师应当尽力去利用概念去弥补软件缺陷（如概念上考虑填充墙的周期折减系数、荷载系数等），构建较为可靠的、可提供决策信息的计算模型。

    为建立合理的仿真模型，可对现用实际模型进行试验仿真校准，即通过模态等动力测试方法以及现场测量的方式，对已建建筑进行测试，可以构建或修正相对可靠吻合度较高的力学有限元模型（如：加固检测）。（这难道是构建元宇宙空间？）

    但大部分时候，工程师做的是设计分析模型，即建筑物是从无到有，不论我们提供多么精细的参数，由于建筑物复杂的组合性，我们是无法保证最后建成的所有动力特性，力学特征都一模一样。因此，无论分析模型多么复杂，分析结果几乎肯定是近似的。

    虽然分析结果是近似的，但是为了获取得到对工程设计有用的决策信息，工程师需要在当前技术条件下，利用计算机程序模拟特定问题，以尽可能的完善，得到有用的结论，为工程设计提供必要的技术支持。

其中，尽可能的完善，并非一定需要建立完整的实体单元；

        尽可能的完善，也并非构建非必要的细部特征。

工程师如何综合考虑？

事实上面对不同的问题，尽可能完善，考虑的不止是我们需要计算的问题，也要综合考虑计算自由度，计算机资源、使用的软件（甚至是算法）的适用性或者局限性，选择相对最优的方案，来达到分析目的，得到我们想了解的结果，以便最终做出工程决策。

    实体单元未必强于杆系板壳单元体系，针对不同问题，选择适当的单元类型得到正确的结果。不必一味追求实体单元，就如选择一个大体量的建筑结构的模拟分析时，最经济且精度最好的分析单元选择，我们更关心的是整体的结构响应，以及各个构件的性能，因此对于成熟的稳定的特征(如常规的节点)，是可以进行合理简化或假定，并非需要完整构建出来。

    所以对于大体量建筑结构的分析模拟，应选择杆系板壳单元，而非实体单元，不单单是计算量的问题，实体单元的假定较少，可靠性较低，相对杆系板壳单元体系解决大体量超多构件的结构，难以得到稳定的结果，特别是在非线性上极易失真。

    而对于材料成熟，结构构件的细部构造特征的受力分析，则可以选择采用板壳(如钢板)或实体单元对细部构造进行模拟分析。进而对与整体结构中，含有未知构造的节点或者精细特征，可以采用主子结构的多尺度混合分析的策略得到更优的结构精度和计算效率。

概念 or 计算？

        似乎炒“概念”，更能得到共鸣，更多人更愿意承认概念 > 计算。而事实上大部分人的概念并非概念，而仅仅是主观感觉。实际上当概念不足以支撑工程决策时，合理的试验分析 计算分析是个不错的备选选择。这也是当我们的累计足够试验研究，总结了分析设计方法，并提升了计算算力之后，陆陆续续的超限工程的落地实现的原因。

    建筑结构计算，通常是 计算设计   构造。为了构建正确的计算设计模型，恰恰需要扎实的力学概念（如考虑正确的边界条件等），并搞清楚分析的目的是什么，而对于提高建筑物的安全性的构造，是需要扎实的工程概念。

    显然，概念为先，机理为本！

              概念为先，机理为本！

              概念为先，机理为本！

    计算是机理的体现，概念是指导计算的方向盘，计算是驱使概念得以实现的电机。作为新生代的设计师，概念和机理的重要程度对比，显然二者是同等重要的。结构软件、结构分析只是一把工具，如何让它为我们服务取决于我们自己。

“算不准” 还是 “不准算”

       混凝土的微结构是非常复杂且非连续的，它主要由骨料相、胶体相和过渡区三相构成，而每一相本身又都具有复杂的多相结构，各相的性能对混凝土整体的宏观性能都有较大的影响。所以，我们常见混凝土的本身随机性而言，它的物理本质决定了它不可能被完全客观的确定。因此，只能通过模糊的宏观力学行为加以定义。由此可见，再完善的计算模型也无法考虑到影响混凝土结构性能的所有因素，对计算的过度迷信往往会使人忘却问题的基本属性(概念)。

       岩土或地基基础相关的计算分析也一样，土的复杂力学属性也决定了我们目前只能通过比混凝土更模糊的宏观力学行为定义，似乎更多的采用的是“概念”和经验公式计算。而这样所谓的概念和经验公式，是无法进一步揭示土体奥秘的。对于“概念”和经验公式过度迷信往往会使人陷入经验主义而无法推动认知。

    因此，对于极左或极右都是不可取的。

    首先结构力学行为的计算分析，是提醒工程和科研人员，应该把握问题的基本属性，正确利用计算分析的工具及其结果，并给出有用的决策信息。我们要肯定的是计算模拟是探索工程问题的力学本质的有力工具。

    对于科研工作者或开发者而言，通过将计算结果与试际结果对比，寻找计算模型的不足，改善计算模型，在一定范围内有助于认清对问题起关键作用的影响因素。而我们也正追求的理想真理，也是用最完美计算模型，将真实世界，复刻到计算机中，虽永远不能至，但正一步步的努力靠近！

    同时，我们应该认识到“算不准”是普遍的、绝对的，在复杂多场耦合的世界里，我们结构工程所努力的大部分仅在应力场、流体场内，而即便仅在次，都存在大量假定。因此，任何模型必然不可能包罗万象，而只能把握模式适用要点，所以一切计算结果都具有其局限性。

因此，虽“算不准”，但要算，不仅要算，还要发展计算。且要在把握概念下，用好计算分析模拟，并且给工程最恰当的信息决策。

工程师应该注意什么？

    （1）在选用不同分析方法时（反应谱分析、弹(塑)性分析、屈曲分析等等），需要考虑问题的相关因素。正确选择分析方法和分析理论，对于结构分析具有重要决策作用。

    （2）结构分析应根据结构类型、材料性能和受力特点（循环荷载、地震作用、风荷载等）等，采用线性、非线性方法（包括：材料非线性、几何非线性、接触非线性等）。当结构性能是始终处于弹性状态或弱非线性状态时，可采用弹性分析理论或等效弹性分析方法对结构进行分析，当结构处于强非线性状态时，应采用相对于的非线性分析方法（如：弹塑性分析）。

    （3）正确使用所选择软件，在使用任意一款有限元软件之前，需要了解软件对我们所构建问题的适用性、局限性。而非任何问题对任何软件都可以计算分析，详看下期讲解，将对常用软件进行归纳总结。

（完）