结构工程师：请避开有限元分析中6个常见的“坑”

实际上，作为可承载的骨架体系，构造内部是存在荷载的通报路径的。

比如下图所示的框架构造：

在竖向荷载（以自重为代表）浸染下，框架构造的传力路径是荷载→楼板→次梁→框架梁→框架柱→根本。
在水平荷载（以风荷载和水平地震浸染为代表）浸染下，框架构造的传力路径是各楼层节点（假设）→框架梁→框架柱→根本。

在机器和电子产品中，构造的传力路径每每没有建筑构造那样明确，在设计这些产品的构造时，更须要有构造体系的观点，否则就无法形成有效的设计思路，也就无法精确建模并通过仿真打算来验证设计的意图了。

还有的剖析职员不能精确区分主体构造和附属结果、不能区分构造构件和非构造构件，建模的时候眉毛胡子一把抓，乃至缺点地把非构造件当做构造构件，不但效率低下，而且把握不到剖析的重点。
这种征象说到底也是由于缺少构造体系化观点引起的。

误区二：认为建模细节越多越好

有些剖析职员总是纠结于各种模型中的细节问题，导入的三维模型上的一些细节特色，他希望能够一个不落地保留，总担心简化了哪个地方会导致打算不准确，因此不敢对剖析工具进行必要的简化。
比如：下图所示的一些表面突出属于非受力的装饰，在构造剖析中应采取经由简化处理后的右边的模型。
这一类的特色在实体模型中是很常见的。
当然，简化都是有依据的，如果过度简化可能导致应力非常、刚度改变、截面削弱，那就不是精确的简化了。

还有人在整体构造剖析中总是热衷于保留螺栓、焊缝、打仗部位等连接细节，说到底，这些问题的根源在于不能分清主次、构造观点不清晰。
一样平常情形下，只是在局部分析（如：节点剖析、子模型剖析）时才须要考虑这些连接部位的模型细节，整体剖析时则不须要在模型中保留这些连接细节，只须要根据连接的设计意图简化为刚性连接、耦合或约束方程即可，这样不仅剖析思路明确，而且可以显著地提高剖析的效率。

误区三：对网格划分存在误解

有的剖析职员，尤其是初学者，每每对付网格划分存在认识上的误区，这些问题的存在，常日会使得剖析效率低下、事倍功半。

有人片面地认为打算规模越大、网格划分越细结果就越准确。
实际上，对付静力剖析，根据基本观点，只须要在高应力梯度范围划分较为精密的网格，而在其他部位划分粗细适宜的网格，就能够在相对合理的打算规模下得到问题的精确解答。

还有人一味地执着于划分所谓全六面体网格，在网格划分环节花费大量精力，乃至会由于无法划分成功而放弃打算。
事实上，用带有中间节点的四面体网格，同样能够得到较高精度的解答。
这一点通过六面体和四面体两种不同的网格，对同一问题分别打算就可以得到验证。
打算结果准确是第一位的，网格俊秀与否并不那么主要，做剖析的目标也不是追求网格好看。

误区四：认为实体单元比构造单元更精确

在选择单元类型时，有的剖析职员认为实体单元更精确，而不愿意或不敢利用BEAM、SHELL等构造单元。
实际上，并不是什么问题都适宜于用SOLID单元来剖析的，想象一下上海中央那种大型构造的整体剖析场景，急速就能够明白SOLID单元不是万能的。

梁、管、杆、壳、厚壳、弹簧等单元类型用来仿照特定构造类型，利用起来比实体单元更为有效。
比如：利用BEAM单元剖析框架构造、利用SHELL单元剖析墙体、利用PIPE单元剖析管道系统、利用LINK单元剖析桁架，利用弹簧单元等效仿照连接刚度等。
要精确地指定这些构造单元的特性，包括但不限于梁的横截面参数、主轴指向、截面偏移，壳的截面特性、外法线方向，弹簧刚度等。
利用构造单元不仅提高了剖析效率和精度，也能够很好反响实际构造受力特色。

很多人习气于导入3D实体几何模型直接进行Mesh和打算，这也是一种认识误区。
实际上，3D建模软件中建立的几何模型并不一定适宜有限元剖析。
即便对付实体构造，也须要首先对几何模型进行清理、简化、创建印记面等准备操作，使之适宜于有限元剖析。
对付包含梁、壳等构造单元的模型，还涉及到对薄壁实体进行抽中面、对苗条实体抽梁等操作，形成表面体、线体等适宜于划分为壳、梁单元的几何工具。

误区五：不重视边界条件的选取

有限元方法本身在假设单元位移模式时，哀求知足完备性条件和折衷性条件，因此其位移模式中一定包含刚体位移，由奇异的单元刚度矩阵组成的构造刚度矩阵也是奇异的，须要引入边界条件才能精确地解答。
这个意义上来讲，有限元剖析中边界条件对得到精确解答起到决定性的浸染。

但是很多剖析职员，尤其是初学者，每每在建模环节花费了大量精力，在施加边界条件时则较为随意。
实际上，这种轻率的做法很可能导致剖析结果不能反响实际情形。
如下图所示的几个梁构造，其剖析模型（刚度矩阵）在没有引入边界条件之前是完备相同的，但是不同的约束条件实际上对应了性子完备不同的问题。

对付软件中的各种边界条件和荷载类型，须要弄清其本色并精确施加。
比如：施加对称边界条件或反对称边界条件时，要清楚是哪些自由度受到了约束。
对称条件浸染于梁单元组成的构造时，对称面内的杆件刚度应根据实际情形取一半。
其他约束条件类型的实质也是对节点位移自由度的约束，因此要仔细考虑所施加的边界约束，使其与实际构造受力状态相符合。
由此可见，网格划分粗细引起的如果是偏差，不恰当的边界约束则会直接导致剖析的缺点和失落败。

误区六：不重视打算结果的剖析

对付现在的剖析软件而言，后处理操作都是非常直不雅观的，节制这些操作并不繁芜。
但是如果没有力学知识和工程背景，不理解有限元求解的事理和过程，很可能无法对打算结果的精确性做出评价，或者被一些数值打算的假象所蒙蔽，可能得到缺点的认知。

有限元剖析常日以位移作为基本未知量，因此后处理首先应该检讨变形结果，而不是像很多人那样先看或只看应力结果。

支反力结果是根据位移结果直接导出的，可用于检讨总体的平衡条件是否得到知足，也可以用来考验构造的载荷通报路径。

应变、应力结果是由节点位移导出的，且由于打算软件所采取的等参元和数值积分技能，这些结果常日只能得到积分点位置的数值。
以是对付应力结果的探究，常日也有助于判断模型网格的精度。

要区分单元的应力解答和节点的应力解答，区分未均匀的应力解答和均匀的应力解答，区分应力集中和应力奇异。

在塑性剖析的结果中，可能涌现应力超出屈从应力的情形，这类情形也要进行详细的剖析，比如下图所示的钢构造节点就存在显著超出屈从强度的区域。

总之，应力结果的后处理绝对不是大略地截取等值线图的Max值直接写入报告。

除了上述所列举的一些误区外，在构造动力学、非线性剖析等领域，剖析者面对的问题常日就更为繁芜，客不雅观上也须要有更多的知识储备，否则会涌现更多观点认识上的误区，使得剖析职员无法达到剖析的预期目标，有关问题后续将再发文章进行谈论。
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作者简介：尚晓江 仿真秀精良讲师，工学博士，力学和有限元剖析理论功底踏实，长期从事ANSYS软件运用与技能咨询事情，累计为海内用户开展培训或讲座逾3000人次，编著有《ANSYS构造有限元高等剖析方法与范例运用（第三版）》、研究生教材《工程构造优化设计方法与运用》、《ANSYS Workbench构造剖析理论详解与高等运用》等。