有限元分析的全局化思维
在讲述这样或那样的有限元方法之前，最为重要的是对要执行的分析目的有一个初步的总体概述，然后再使用Abaqus有限元方法。任何一种有限元分析模型的数学求解方法都是独特的，用于完成此仿真任务的方法也是独特的。因此，一开始就要有调试模型的心理准备，此尤为关键。最基本的想法是找到一种将工程问题转换为FEA模型的方法，这样需要讨论下图1-1所示的不同的线性步骤，以便确定FEA模型将如何进行计算。
图1-1所示从工程团队或工作组，分析师开始求解其他人员所咨询的结构分析，以便对定性问题给出定量答案。图1-1流程图的不同阶段描述如下:1．分析人员必须确保拥有处理工作组提交的需求所需的专业技能知识；否则，首先要进行相关分析案例的特定培训。2．与分析师一起工作的工作组，必须将工作范围定义为不同职能方向的功能，如下列出：- 根据项目要求，阐述分析对象，并重新表述分析的主要目的；
- 如果可能的话，手工计算出分析区域内，某些区域的局部或全局结构响应。
3．涉及与工程团队的初步协议，首先要确保一定的工作质量和分析下的组件或系统的结构完整性。规范文件的内容应该尽可能让所有的工程团队成员，甚至非分析人员都能理解。4．确保拥有所有必要的文档来进行适当的设置，比如，获取图纸或CAD文件（例如，. step文件格式可用于从CAD软件导入Abaqus)。如果使用CAD文件，那么分析人员应该与设计人员一起清理设计，使其与分析需求相一致，并符合结构研究中最佳和最简单设计细节的水准。如果没有CAE文件，分析人员不得不从图纸构建FEA模型，但仍要与相同水准的设计细节保持一致，以获得最佳的几何近似，以尽可能准确地表现设计的结构响应。5．检查阶段是将所有在阶段(2)中制定的规范，都已转换为有关设计特性、分析标准以及执行结构分析方法的机器语言。6．建模阶段是根据工作描述的范围内已定义的工作规范，通过使用合适的Abaqus特性和正确设置，实施输入数据。7．此时，通过将分析任务提交到Abaqus求解器，运行求解FEA模型。8．重要的是要检查分析作业是否在没有错误或关键警告消息的情况下求解。如果出现错误或严重警告消息，则分析师必须进行作业诊断，使用包括本书在内的所有可用支持，修复引起Abaqus求解程序不正确终止的故障问题。9．获取数据是一个非常重要的阶段，因为有时模型虽已被成功求解，但并不意味着：求解结果正确和足够准确，以至于可以对结果充满信心，对输出数据进行后处理。因为输出是输入的结果，在Abaqus求解计算中识别潜在的GIGO（Garbage In, Garbage Out垃圾输入，垃圾输出），这尤为重要。因此，分析人员必须质疑输出数据，以确定输出数据的质量和精度；信任在先，但一定要再三确认。最好的方法是返回阶段(2)，检查预期的手工计算对输出数据是否有意义。当然，可视化检查也可以用于确定不正确的设置，比如，如果结构挠度于错误方向，则因为重力负荷设置了错误方向。大多数时候非常困难进行这种控制检查，因为手工计算很难用方程来表达。因此，在给定的荷载和边界条件的结构分析，首先花时间思考期望的可能和不可能的求解结果，总是好的做法。可以用下面的格言来表述:“先思考，再求解，信任但需仔细检查。”先做思考者，再做建模员，如此方能第一次就建模正确，并有一种分析哲学，能够从更高的维度来思考问题，这应该是此阶段的专家分析者的核心价值。此概念被称为分析思维。10．输出数据必须被检查，以确保第（9）阶段的可信性。11. 此处提出的问题是确定数值困难或不收敛的来源。如果是由错误的数值设置引起，分析人员将不得不修改前处理及其设置，否则，造成数值问题的原因不是FEA模型的错误设置，而是工作边界的定义。因此，分析师必须查看初始规范，以找出是什么在FEA模型中造成了这些不一致性和不稳定性。12．如果FEA模型出现了奇怪的结果，那么就需要对模型设置加以修改。13．对于不切实际的结果特性，需要修正FEA模型的定义和假设。14. 虽对分析人员很明显，但对非分析人员可能不那么明显，实际上有限元求解输出数据通常不是结论中给出的直接结果。例如，在工作范围，如果分析师需要检查标准给出的准则，标准应向分析人员概述不同的操作，以便对输出数据按照特定的方法进行额外的后处理计算，确定依照标准规范进行检验的最终结构响应结果。15. 这是一个重要阶段，因为分析师必须将结果传达给一组人，其中一些人不了解FEA或被分析的结构。沟通是一项很困难的锻炼，需要使用简单和清楚的解释让听众理解一个关于特定主题的事情。为了以一种可以理解的方式传达结果和要点，推荐最好的策略是用图片而不是文本框对结果进行简短而清晰的解释。这是一个平衡于直切要点和全面分析细节，两个极端都没有用，因为包括非分析人员的听众，他们可能会因缺乏细节而丢失信息或淹没在过多的细节中，导致他们无法理解结果和结论。所以，我们尽量让表述简单明了以便理解结论。然后，听众提出问题，以挖掘更多关于结果和结论的细节。16. 在呈现分析人员得出的结论之后，工程团队将判断结构分析一致性的状态。如果需要更多的工作，那么工作组将不得不回到阶段（13），修正思路并对需要重做的工作范围做出新的定义。17. 为最终阶段，一切都要经过检查和核准。分析师必须写一份为工程团队所做工作的报告。FEA报告的格式和内容在不同的工作场所可能会有所不同，但本质上最重要的是展示流程图1-1中描述的不同阶段的内容。FEA报告中可能包含的部分内容，非详尽列表如下:- 简短的引言，说明对分析模型的结构完整性问题进行分析目的,
- 与工作范围有关的所有参考文件, 包括图纸、标准等,
- 用图表达所有细节，以了解分析区域的载荷和边界条件,
- 所有用于设置FEA模型的输入数据，比如，摩擦系数和材料数据等，
- 所有助于理解FEA模型装配、材料定义和接触属性等所需的图片，
- 如果适用，根据工作范围写出所有的手工计算，预测结果，
- 用最相关的结构响应图片解释结果。例如，应力、位移和应变云图。
- 分析结果的报告是以简洁的语言和清晰简短的文字说明，
- 根据工程团队提出的问题，对分析产品撰写相对应的简短结论。
一般来说，具有最优条件的结构分析工况，如果分析人员遵循上面描述的方法，那么故障风险应该被最小化，并且提供了结构分析的良好理解。对开发中某些阶段没有完全实现的结构，可以重新调整方法进行研究分析。因此，本方法为指导方针，以确保结构分析的良好实践，并足够自然灵活，以面对不同的情况，这些情况或多或少对应特定的工作环境。因此，流程图所描述的方法论，可以被视为一种关于结构分析的过程和结论的全局化思维。Ref: Boulbes, R.J. and F. Lyon, Trouble shooting Finite-Element Modeling with Abaqus. 2020: Springer.
