無(wú)論多么優(yōu)秀的有限元分析軟件，只有正確使用，才能得到令人滿意的模擬結(jié)果。在進(jìn)行有限元分析時(shí)，切忌拿到一個(gè)問題就不假思索地開始建立幾何模型、劃分網(wǎng)格、輸入材料特性、定義邊界條件和載荷，最后看到分析收斂了，就打印一些云紋圖，畫幾條曲線，然后萬(wàn)事大吉。雖然只要在有限元軟件中輸入足夠的模型參數(shù)，就可以得出五顏六色的云紋圖和豐富的分析數(shù)據(jù)，但這些結(jié)果是否正確，是否真是我們所需要的結(jié)果，取決于我們建模的方法和所輸人的參數(shù)，而不能靠有限元軟件本身來保證。

舉例來說，我們要開車去某地，如果我們直接一頭鉆進(jìn)駕駛室，點(diǎn)火、踩油門、換擋、打轉(zhuǎn)向盤，幾個(gè)小時(shí)后我們一定會(huì)到達(dá)某個(gè)地點(diǎn)，但這是不是我們想去的目的地，取決于我們的駕駛過程，而不是只要駕駛的是奔馳、寶馬就沒問題了。在出發(fā)之前，我們首先應(yīng)該進(jìn)行縝密的思考和規(guī)劃 一-目的地在什么方向、距離有多遠(yuǎn)、有哪些可供選擇的路線、路上是否有什么高山大河的險(xiǎn)阻、有哪些必須停留的中轉(zhuǎn)地點(diǎn)、需要在多長(zhǎng)時(shí)間之內(nèi)到達(dá)、汽車的性能是否足以完成整個(gè)旅程，等等。在行進(jìn)過程中，需要不斷地校準(zhǔn)方位，時(shí)時(shí)留心是否行進(jìn)在正確的路線上。到達(dá)終點(diǎn)時(shí)，要仔細(xì)檢查這是不是最初所預(yù)期的目的地，是否需要繼續(xù)行進(jìn)，奔向下一個(gè)目標(biāo)。

有限元分析的過程與此類似，CAE 工程師在拿到一個(gè)工程項(xiàng)目時(shí)，應(yīng)該依次思考和解決以下問題:

1. 明確分析目的首先應(yīng)該明確所關(guān)心的是零件或結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度 (應(yīng)力、疲勞壽命)、剛度(位移和載荷的關(guān)系)、溫度場(chǎng)還是重量的最小化等。

分析目的不同，則建模方法也不同。如果只關(guān)心剛度，則不需要?jiǎng)澐诌^細(xì)的網(wǎng)格;如果關(guān)心的是強(qiáng)度，則需要在可能的危險(xiǎn)部位(例如應(yīng)力集中的圓角處)進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。

需要注意的是，有限元軟件盡管功能強(qiáng)大，適用范圍廣泛，但它并不是萬(wàn)能的，不能期待它完美地模擬任何問題。例如，可以通過有限元分析來得出結(jié)論:該部件在當(dāng)前的支撐條件和載荷工況下是滿足強(qiáng)度要求的，但這一結(jié)論的前提條件是部件在生產(chǎn)過程中沒有出現(xiàn)缺陷。如果部件的材料本身存在雜質(zhì)或缺陷、在鑄造過程中出現(xiàn)氣孔或在造工程中出現(xiàn)裂紋，都會(huì)導(dǎo)致部件被提前破壞，而這些問題在進(jìn)行一般的有限元分析時(shí)是不會(huì)考慮的。

2.選取適當(dāng)?shù)姆治鲱愋?/span>

常用的分析類型包括靜力分析、動(dòng)態(tài)分析、準(zhǔn)靜態(tài)分析等。實(shí)際上，我們的分析對(duì)象往往是處在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中(如汽車、機(jī)床、重型機(jī)械、船中的部件) 的，但并非只要部件是運(yùn)動(dòng)的，就一定要采用動(dòng)態(tài)分析。靜力分析的建模過程更簡(jiǎn)單，不確定性因素更少，更容易得到可靠的結(jié)果，因此應(yīng)該始終將其作為首選的分析類型來考慮。用靜力分析來模擬運(yùn)動(dòng)的對(duì)象，如同用相機(jī)來對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)象的某個(gè)瞬間做一個(gè)定格的抓拍，這個(gè)瞬間往往選取在受力最大的那一刻。

必須采用動(dòng)態(tài)分析的場(chǎng)合包括:需要模擬構(gòu)件的振動(dòng)特性或高速?zèng)_擊碰撞過程，或者接觸問題過于復(fù)雜，使用靜力分析無(wú)法收斂或計(jì)算時(shí)間過長(zhǎng)等。動(dòng)態(tài)分析需要考慮阻尼、加載速度、動(dòng)能和內(nèi)能的比例等復(fù)雜因素，準(zhǔn)靜態(tài)分析往往需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量縮放。如果沒有足夠的建模經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的驗(yàn)證，不要輕率地選擇這兩種分析類型。

3.選取適當(dāng)?shù)慕?duì)象

工程實(shí)際中的分析對(duì)象(例如汽車、機(jī)械、醫(yī)療器械)一般都是由大量零部件組合而成的復(fù)雜系統(tǒng)，各個(gè)部件之間存在著復(fù)雜的相互作用。我們?cè)诮r(shí)，不可能也沒有必要把所有部件都放入模型。選取建模對(duì)象時(shí)可以遵循以下原則:

1) 僅選取所關(guān)心的部件，必要時(shí)可以適當(dāng)增加一些相鄰的其他部件，去掉那些遠(yuǎn)離所關(guān)心部位的部件。例如希望計(jì)算起重機(jī)的起重臂強(qiáng)度，則沒有必要把整個(gè)起重機(jī)車身都模擬出來。

2) 去掉或簡(jiǎn)化對(duì)分析結(jié)果影響很小的部件或環(huán)境因素。例如進(jìn)行整車碰撞模擬時(shí)，應(yīng)只對(duì)重要的車身結(jié)構(gòu)件建模，其余部分可以簡(jiǎn)化為質(zhì)量塊或忽略不計(jì)。分析潛水艇在水下的性能時(shí)，主要的載荷是水下的壓力，而潛水艇內(nèi)的空氣壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水的壓力，空氣的作用就可以忽略不計(jì)。

3) 在模型中部件和模型之外部件的交界處，應(yīng)定義適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件或載荷。常見的做法是:在交界處和某個(gè)參考點(diǎn)之間建立耦合約束 (coupling)，然后將邊界條件或載荷定義在參考點(diǎn)上。根據(jù)圣維南原理，當(dāng)截取整個(gè)模型的一部分時(shí)，可以用外力系的合力來替代截面處的力，對(duì)于遠(yuǎn)離截面處的部位，這種替代的影響可以忽略不計(jì)。

4.建立合理的幾何模型

借助先進(jìn)的 CAD 軟件，我們可以模擬出產(chǎn)品外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的每一個(gè)微小細(xì)節(jié)，得到幾可亂真的幾何模型。但對(duì)于有限元模型來說，很多幾何模型的細(xì)節(jié)往往不是必需的，如果進(jìn)行模擬則可能造成不必要的細(xì)化網(wǎng)格，大大增加計(jì)算時(shí)間。在建立有限元模型時(shí)，一般不應(yīng)保留幾何模型中的所有細(xì)節(jié)，例如可以去掉那些遠(yuǎn)離關(guān)鍵部位的小孔，用光滑的圓孔來代替螺紋孔，用尖角來代替小圓角，用直線來代替小的過渡圓弧等。另外，這些細(xì)微的幾何特征處可能應(yīng)力集中系數(shù)很大，甚至接近應(yīng)力奇異狀態(tài)，但這不一定意味著這些部位就是危險(xiǎn)部位。舉一個(gè)工程實(shí)際中的例子來說明:起重機(jī)的吊臂在使用過程中，不可避免地會(huì)出現(xiàn)一些很淺的劃痕，如果對(duì)這些劃痕建模(例如，將其模擬為深度為 0.1mm 的半圓槽)，并在劃痕區(qū)域劃分非常的網(wǎng)格，就會(huì)看到劃痕區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他部位。但不能就因此判斷這些劃痕區(qū)域是危險(xiǎn)部位，因?yàn)閷?shí)踐經(jīng)驗(yàn)告訴我們，吊臂不會(huì)因?yàn)檫@些淺淺的劃痕而出現(xiàn)破壞。對(duì)上述情況的解釋是:應(yīng)力大的區(qū)域僅僅局限在這些微小的局部上，因此不會(huì)對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度造成影響。比較另外一種情況:如果在吊表面開一道深度為 10mm的半圓槽，這個(gè)半圓槽就很可能是危險(xiǎn)部位。因?yàn)檫@個(gè)半圓槽的尺寸較大，其附近較大區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力都會(huì)很高，因而會(huì)對(duì)整個(gè)構(gòu)件的強(qiáng)度造成影響。

以上說法或許會(huì)令人感到奇怪 - 理論上應(yīng)該是半徑越小，應(yīng)力集中現(xiàn)象越嚴(yán)重，但在上面的例子中，0.1mm的半圓不是危險(xiǎn)部位，10mm 的半反而是危險(xiǎn)部位。這就是解決實(shí)際工程問題的困難之處:既要依據(jù)力學(xué)理論，又不能死板地套用力學(xué)理論。再舉一個(gè)常見的例子:在鑄件上往往會(huì)鑄出一些凸出的數(shù)字或字母組成的編號(hào)，以便于在大批量生產(chǎn)中識(shí)別。這些凸出處和鑄件平面之間的過渡圓角往往非常小(例如小于0.2mm)，如果在這些圓角部位劃分非常細(xì)的網(wǎng)格，會(huì)得到非常大的應(yīng)力。事實(shí)上，在建模時(shí)可以忽略這些凸起的幾何特征，將其所在區(qū)域簡(jiǎn)化處理為一個(gè)平面。

實(shí)際分析時(shí)可以把握這樣一個(gè)原則:如果幾何細(xì)節(jié)的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于構(gòu)件的尺寸，就可以考慮忽略這些幾何細(xì)節(jié)。即使在模型中保留了這些幾何細(xì)節(jié)，也不要在這些部位劃分過細(xì)的網(wǎng)格。至于“遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于”是什么概念，可以這樣大致判斷:令整個(gè)構(gòu)件的外形輪廓充滿屏幕，如果這時(shí)某個(gè)幾何細(xì)節(jié)很難用肉眼分辨出來，就可以稱得上是“遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于”了。CAE 工程師必須運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)和直覺來判斷設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)的相關(guān)性能，確定它們能否被簡(jiǎn)化而不產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)果。這些簡(jiǎn)化區(qū)域附近的應(yīng)力結(jié)果會(huì)不完全準(zhǔn)確，但在遠(yuǎn)離這些簡(jiǎn)化區(qū)域的位置，應(yīng)力結(jié)果基本不受影響，整個(gè)模型的位移結(jié)果一般也不受影響。在有些情況下，某些細(xì)節(jié)在一開始顯得并不重要，但后來的分析結(jié)果表明該細(xì)節(jié)是至關(guān)重要的(例如此處應(yīng)力很大，是危險(xiǎn)部位)，這時(shí)可以在模型中恢復(fù)該細(xì)節(jié)，重新進(jìn)行計(jì)算。如果模型非常復(fù)雜，修改模型重新計(jì)算需要的時(shí)間過長(zhǎng)，可以采用子模型 (submodel)的方法來分析這個(gè)局部區(qū)域。