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導讀：近年來,，隨著有限元分析軟件應用的普及,，很多在過去僅僅局限于科研人員論文中的問題，逐步開始成為設計工程師的分析任務,。但是另一方面,，設計人員未必具備分析人員的知識儲備，很多人對于結構分析缺乏有效的思路,，甚至有的分析人員完全沒有材料力學等相關的基本概念,，在結構分析中往往會陷入各種誤區(qū)，導致分析的效果大打折扣,，甚至得出錯誤的結果,。本文針對設計人員結構分析中常見的一些誤區(qū)進行分析和討論，希望引起結構分析人員的重視,。本文討論的問題僅限于建模思路和靜力計算部分,。很多人做結構分析，就連什么是結構都不清楚,。結構是通過構件連接而構成的可承受荷載,、起骨架作用的體系。一些人以為，只要會操作軟件,，就能夠進行結構分析,。殊不知，如果對于結構缺乏體系化的認知,，就無法正確的計算分析,，也不能起到驗證設計思路的作用。實際上,，作為可承載的骨架體系,，結構內部是存在荷載的傳遞路徑的。比如下圖所示的框架結構：在豎向荷載（以自重為代表）作用下,，框架結構的傳力路徑是荷載→樓板→次梁→框架梁→框架柱→基礎,。在水平荷載（以風荷載和水平地震作用為代表）作用下,，框架結構的傳力路徑是各樓層節(jié)點（假設）→框架梁→框架柱→基礎,。 在機械和電子產(chǎn)品中，結構的傳力路徑往往沒有建筑結構那樣明確,，在設計這些產(chǎn)品的結構時,，更需要有結構體系的概念，否則就無法形成有效的設計思路,，也就無法正確建模并通過仿真計算來驗證設計的意圖了,。還有的分析人員不能正確區(qū)分主體結構和附屬結果、不能區(qū)分結構構件和非結構構件,，建模的時候眉毛胡子一把抓,，甚至錯誤地把非結構件當做結構構件，不但效率低下,，而且把握不到分析的重點,。這種現(xiàn)象說到底也是由于缺乏結構體系化概念引起的。有些分析人員總是糾結于各種模型中的細節(jié)問題,，導入的三維模型上的一些細節(jié)特征,，他希望能夠一個不落地保留，總擔心簡化了哪個地方會導致計算不準確,，因此不敢對分析對象進行必要的簡化,。比如：下圖所示的一些表面凸起屬于非受力的裝飾，在結構分析中應采用經(jīng)過簡化處理后的右邊的模型,。這一類的特征在實體模型中是很常見的,。當然，簡化都是有依據(jù)的,，如果過度簡化可能導致應力異常,、剛度改變、截面削弱，那就不是正確的簡化了,。還有人在整體結構分析中總是熱衷于保留螺栓,、焊縫、接觸部位等連接細節(jié),，說到底,，這些問題的根源在于不能分清主次、結構概念不清晰,。一般情況下,，只是在局部分析（如：節(jié)點分析、子模型分析）時才需要考慮這些連接部位的模型細節(jié),，整體分析時則不需要在模型中保留這些連接細節(jié),，只需要根據(jù)連接的設計意圖簡化為剛性連接、耦合或約束方程即可,，這樣不僅分析思路明確,，而且可以顯著地提高分析的效率。有的分析人員,，尤其是初學者,，往往對于網(wǎng)格劃分存在認識上的誤區(qū)，這些問題的存在,，通常會使得分析效率低下,、事倍功半。有人片面地認為計算規(guī)模越大,、網(wǎng)格劃分越細結果就越準確,。實際上，對于靜力分析,，根據(jù)基本概念,，只需要在高應力梯度范圍劃分較為精密的網(wǎng)格，而在其他部位劃分粗細適宜的網(wǎng)格,，就能夠在相對合理的計算規(guī)模下得到問題的精確解答,。還有人一味地執(zhí)著于劃分所謂全六面體網(wǎng)格，在網(wǎng)格劃分環(huán)節(jié)花費大量精力,，甚至會因為無法劃分成功而放棄計算,。事實上，用帶有中間節(jié)點的四面體網(wǎng)格,，同樣能夠得到較高精度的解答,。這一點通過六面體和四面體兩種不同的網(wǎng)格，對同一問題分別計算就可以得到驗證,。計算結果準確是第一位的,，網(wǎng)格漂亮與否并不那么重要,，做分析的目標也不是追求網(wǎng)格好看。在選擇單元類型時,，有的分析人員認為實體單元更精確,，而不愿意或不敢使用BEAM、SHELL等結構單元,。實際上,，并不是什么問題都適合于用SOLID單元來分析的，想象一下上海中心那種大型結構的整體分析場景,，立刻就能夠明白SOLID單元不是萬能的,。梁、管,、桿,、殼、厚殼,、彈簧等單元類型用來模擬特定結構類型,，使用起來比實體單元更為有效。比如：使用BEAM單元分析框架結構,、使用SHELL單元分析墻體,、使用PIPE單元分析管道系統(tǒng)、使用LINK單元分析桁架,，使用彈簧單元等效模擬連接剛度等。要正確地指定這些結構單元的特性,，包括但不限于梁的橫截面參數(shù),、主軸指向、截面偏移,，殼的截面特性,、外法線方向，彈簧剛度等,。利用結構單元不僅提高了分析效率和精度,，也能夠很好反映實際結構受力特征。很多人習慣于導入3D實體幾何模型直接進行Mesh和計算,，這也是一種認識誤區(qū),。實際上，3D建模軟件中建立的幾何模型并不一定適合有限元分析,。即便對于實體結構,，也需要首先對幾何模型進行清理、簡化,、創(chuàng)建印記面等準備操作,，使之適合于有限元分析。對于包含梁、殼等結構單元的模型,，還涉及到對薄壁實體進行抽中面,、對細長實體抽梁等操作，形成表面體,、線體等適合于劃分為殼,、梁單元的幾何對象。有限元方法本身在假設單元位移模式時,，要求滿足完備性條件和協(xié)調性條件,，因此其位移模式中必然包含剛體位移，由奇異的單元剛度矩陣組成的結構剛度矩陣也是奇異的,，需要引入邊界條件才能正確地解答,。這個意義上來講，有限元分析中邊界條件對得到正確解答起到?jīng)Q定性的作用,。但是很多分析人員,，尤其是初學者，往往在建模環(huán)節(jié)花費了大量精力,，在施加邊界條件時則較為隨意,。實際上，這種輕率的做法很可能導致分析結果不能反映實際情況,。如下圖所示的幾個梁結構,，其分析模型（剛度矩陣）在沒有引入邊界條件之前是完全相同的，但是不同的約束條件實際上對應了性質完全不同的問題,。對于軟件中的各種邊界條件和荷載類型,，需要弄清其實質并正確施加。比如：施加對稱邊界條件或反對稱邊界條件時,，要清楚是哪些自由度受到了約束,。對稱條件作用于梁單元組成的結構時，對稱面內的桿件剛度應根據(jù)實際情況取一半,。其他約束條件類型的本質也是對節(jié)點位移自由度的約束,，因此要仔細推敲所施加的邊界約束，使其與實際結構受力狀態(tài)相符合,。由此可見,，網(wǎng)格劃分粗細引起的如果是誤差，不恰當?shù)倪吔缂s束則會直接導致分析的錯誤和失敗,。對于現(xiàn)在的分析軟件而言,，后處理操作都是非常直觀的，掌握這些操作并不復雜,。但是如果沒有力學知識和工程背景,，不了解有限元求解的原理和過程,，很可能無法對計算結果的正確性做出評價，或者被一些數(shù)值計算的假象所蒙蔽,，可能得到錯誤的認知,。有限元分析通常以位移作為基本未知量，因此后處理首先應當檢查變形結果,，而不是像很多人那樣先看或只看應力結果,。支反力結果是根據(jù)位移結果直接導出的，可用于檢查總體的平衡條件是否得到滿足,，也可以用來檢驗結構的載荷傳遞路徑,。應變、應力結果是由節(jié)點位移導出的,，且由于計算軟件所采用的等參元和數(shù)值積分技術,，這些結果通常只能得到積分點位置的數(shù)值。所以對于應力結果的探究,，通常也有助于判斷模型網(wǎng)格的精度,。要區(qū)分單元的應力解答和節(jié)點的應力解答，區(qū)分未平均的應力解答和平均的應力解答,，區(qū)分應力集中和應力奇異,。在塑性分析的結果中，可能出現(xiàn)應力超出屈服應力的情況,，這類情況也要進行具體的分析,，比如下圖所示的鋼結構節(jié)點就存在顯著超出屈服強度的區(qū)域。 總之,，應力結果的后處理絕對不是簡單地截取等值線圖的Max值直接寫入報告,。作者簡介：尚曉江 仿真秀優(yōu)秀講師，工學博士,，力學和有限元分析理論功底扎實，長期從事ANSYS軟件應用與技術咨詢工作,，累計為國內用戶開展培訓或講座逾3000人次,，編著有《ANSYS結構有限元高級分析方法與范例應用（第三版）》、研究生教材《工程結構優(yōu)化設計方法與應用》,、《ANSYS Workbench結構分析理論詳解與高級應用》等,。
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