结构仿真分析多年仍停在入门水平！它到底卡在哪些关键环节？

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导读：结构仿真分析入门相对容易，但真正学会却不是个简单的事情。如果只是一味的关注软件的操作方法和具体实现，而忽视方法论和基础知识，很可能事倍功半，长期停留在入门水平。那么，结构仿真分析到底卡在哪些关键性环节，本文下面将为您带来解析。

首先，会软件的操作不等于会做有限元分析，这一点已经日益成为业内共识。分析人员需要具备一定的力学知识和有限元方法基础知识，用这些理论基础指导仿真实践。

有限元方法在结构分析领域的应用，本质上就是利用有限元方法求解结构力学问题。这就是有限元结构分析的实质。既然求解的都是力学问题，不懂力学知识是行不通的。计算的结果都有哪些，代表什么含义？以空间轴对称问题为例，共有10个基本未知量，包括2个位移分量、4个应变分量以及4个应力分量。ANSYS或ABAQUS等软件计算的可以查看的也就是这些量。

有限元方法作为一种通用的数值计算方法，分析人员有必要对有限元方法的理论背景有深刻的了解。这一点很重要，也是能做好仿真分析的一个前提。

有限元方法的基本解题思路是通过对求解域的离散，用一系列单元的组合体来近似描述实际的结构。各单元按照假设的变形模式发生变形，但是在相邻单元的公共节点上，各单元需要保持一致的变形，这一点称为变形的协调。出于求解线性方程组的需要，载荷在计算时需要等效到节点上，这时与节点相连接的全部单元共同抵抗外力的作用，对节点建立平衡条件即可建立求解方程。

有限元方法的位移模式首先要包含刚体位移模式，然后我们又希望在网格加密后能够逼近真实解，这在客观上又需要单元具备常应变位移模式。位移模式还需满足公共节点的变形协调条件，使得相邻单元在交界面不开裂也不重叠。基于位移模式，得到节点位移后即可得到单元内任意点的位移，进而得到应变和应力。实际上，由于软件采用了等参变换和数值积分技术，实际计算的仅仅是有限位置的应变和应力。

在对力学和有限元知识有了必要了解的基础上，接下来就是具体的分析实践了。我们的指导思想是用理论来指导实践，在实践中加深对理论的认知。这样就能够很好地回答如何建模、如何分析、分析结果对不对等一系列根本性问题！

一般来说，结构仿真分析包括几何模型准备、部件连接装配、划分单元、施加约束与荷载、求解设置、结果后处理等六大关键环节。任何一个环节不得要领，都会导致仿真分析效率低下、结果失真甚至是彻底的失败！

在几何模型的准备环节，关键性的一个问题是根据构件的特点，选用合适的单元类型来模拟。不同的单元类型在客观上就要求不同的建模方案和几何准备方法。

最为简单的是实体结构，板壳和杆系结构作为抽象的结构类型，建模过程相对要照顾更多的细节。不过即使是3D实体结构，其原始的几何模型也并不完全适合于仿真分析，通常还需要进行必要的简化、修复、添加用于加载的印记等。

在几何模型准备完成的基础上，接下来的一个重要环节就是模型的装配与连接。请注意，这里所说的模型装配不是指各部件的几何装配，而是指各部件在受力关系意义上的装配。常见的装配方式包括接触、Joint节点、弹簧、梁、焊点、约束方程、网格连接等。通过这些连接，各构件之间才可以传递力的作用。

对结构进行网格划分，是有限元方法的内在要求。网格划分的控制包含总体控制和局部控制两大类。一般而言，局部控制选项具有更高的优先级。通常可以在可能的应力集中区域细化单元或采用高阶单元，以获得更高的应力解答精度。

由于结构总体刚度矩阵的奇异性质，边界条件（载荷也看作边界条件）成为问题能否正确求解的关键。很多人在执着于划分一个好看的网格上花费了大量精力，但是边界条件的施加方面却十分随意。

事实上，如果网格粗糙一些或者质量差一些，造成的问题也仅仅是误差层面；但是边界条件不正确的话，整个分析就完全做错了。根据实际受力情况来施加合理的边界条件才是问题正确求解的关键。

结构分析的类型及求解选项同样十分重要。选择合适的求解模块，不仅是问题获得正确解答的需要，而且可以使得分析过程变得事半功倍。在确定了合适的分析类型后，还需要正确设置相关的分析选项。在各种分析选项中，载荷步的划分与时间步设置是最重要的选项，因为正是这些选项实际控制分析的进程。

当计算完成后，结果的查看和评估也是必要的环节。软件后处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验证结果的正确性，网络视频课程当中却很少会涉及这类问题的讲解或讨论。还有的分析人员不知道如何根据计算结果有效地修改设方案，甚至优化后比优化之前的还要差，仿真分析越搞越迷茫。这些现象说到底还是没有一个好的方法论作为指导。