有限元专场 | 结构设计的“道法”与FEA“正道”
导读：仿真知识周是仿真秀平台致力于打造的专题活动，它是仿真人自己的节日。我们将邀请不同行业资深的仿真工程师，分享他们在工程实践的“用的精髓”。致力于提高仿真人（理工科学生和工程师们）学以致用的能力。同时促进仿真秀平台讲师技术交流和进步。
2020仿真知识周，将由仿真秀平台与并行科技共同打造。7月6日有限元分析正式起航，第一场将由仿真优质内容创作者李晓飞博士主讲《结构设计过程和FEA》；第二场将由仿真秀优秀讲师，有限元培训学员超过3000+名尚晓江博士主讲《力学与有限元分析的思维》；第三场将由仿真秀优秀讲师，有限元培训学员超过5000名张老师主讲《面向工程应用的有限先元案例解析》请点击此处报名。以下是正文：
时光如流水匆匆过，不知不觉间，从事船舶与海洋工程结构设计已近20年，职业生涯过半，打油诗一首小结：
十五年始窥此行。
从学校毕业踏上工作岗位，几乎毫无工程经验，第一感觉“四顾茫茫；得前辈同行指导帮助，照猫画虎，成功完成几个任务，于是一年后“雄心万丈”，感觉“不过如此”；做了四五年，开始独立工作，看问题的视角发生变化，内心里“疑窦迭起”；七八年之后，参与工程项目的管理，责任与压力陡增，惶恐不安，每天“如履薄冰”；十年之后，看着担纲的项目成功交付，安全运行，乃松一口气，有“拨云见日”之感；十五年后，人到中年，经多个项目的历练，心态渐平，回首总结，方感“始窥此行”。
一、结构设计的“道法”
结构的基本功能是承载，所以结构设计的出发点是载荷，基本任务是在载荷与承载端之间建立传递路径，底线是安全，上限是成本。设计任何类型的结构，都是在这几个因素的控制范围内寻找平衡与妥协。
道法自然，工程实践来源于感性的认知和直觉。中国古建筑中的“悬梁斗拱”，抽象成力学模型，就是悬臂结构下的肘板；一根筷子易折，一把筷子难断，那是因为梁的弯曲刚度与高度成3次方正比关系；赵-州-桥的造型，利用��拱形结构的特点，将垂向载荷转换为对地基的压力和水平推力。古人并无现代力学数学的知识，这些精妙的案例，多是在取自于自然的灵感基础上，结合实践，总结形成的精华。
经验的传承受人的因素制约，难以大规模传播，且有失传的风险。随着近代数学力学体系的发展，对结构系统进行了解释和阐述，1750年创立的欧拉-伯努利梁方程，到今天依然是结构工程中最重要的抽象结构力学模型。科学家和工程师合作，用现代科学语言，建立了统一的结构力学理论体系，发展了各类工程实践的规范。理论体系揭示了结构工程的规律，用符号语言解释前人的经验累积，将知识系统化，使得广泛的学习和传播成为了可能。
然后我们看到了1889年的埃菲尔铁塔，1931年的帝国大厦，1937年的金门大桥。但是科学技术的发展永远不会一帆风顺，1940年塔科马大桥在风振中垮塌，惨烈的损失之外，也推动了科技的发展，卡门涡街和颤振登上了科学史的舞台。对科学家和工程师来说，工程事故是天使与魔鬼的合体，魔鬼的风暴后，留下天使的信号，指引科学家和工程师去探究深层次未知的缘由。
自Timoshenko集大成后，结构工程的理论基石再无革命性的变化，复杂结构的工程计算成为了新的瓶颈，于是1956年有限元法（Finite Element Method）应运而生。虽然是一种工程近似方法，但理论分析证明其在满足设定条件的情况下具备足够的精度 – 这就够了，追求精确是科学家的事，工程师需要的是控制误差。理论体系提供了基础衡准，误差的判断和控制来自于工程实践累积：
一是规范； 二是工程师自己。
结果的获取； 结论判断； 反馈。
受仿真秀平台邀请，作为2020仿真知识周7月6日第一场直播嘉宾，笔者将在微信多群直播（预计有3000+人收听），围绕结构设计的过程和有限元分析进行讲解，希望能引发结构设计和仿真工程师们的共鸣，更多内容可以关注我在仿真秀平台的专栏。
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作者：李晓飞 仿真秀专栏作者
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