一张图搞定有限元分析

有个比喻，有限元仿真就像是女神，工程师讲起有限元仿真，多少都有点兴奋或者眉飞色舞。但是真让你追求的时候，大多数工程师就开始退缩了，因为学习过程中会遇到很多问题，诸如准不准、边界条件、工况简化、理论背景、软件操作等等.....
作为一个结构工程师，有限元分析是必备的技能。怎么在工作中有效的使用有限元分析才是我们掌握的重点。我也是在有限元的边缘试探，欢迎朋友们批评指正。

一、什么场合会用到有限元分析

1、设计验证（有效减少样机数量）：传统的验证方式主要是采用样机和手工计算，成本高、时间长、可以验证的方案少。如果不做设计验证，对企业来说更是在崩盘的边缘试探了。     

2、新产品研发，完成产品研究：可以模拟测试产品在各种场合下的使用状况。

3、设计方案评估：有效评估结构工程师提出的各种创新的结构，找出满足要求的结果。

4、提供优化思路和方案：优化模块可以根据多参数的范围、制约条件以及优化的目标。找出最优方案。

5、设计参数的确定：日常设计工作中，参数的确定大多是由原有产品类比和工程经验来确定。可以使用有限元分析来做数值计算，提供设计参考。

6、产品问题分析和质量治理：如果产品出现质量问题、测试问题，其中设计是否合理是考察的重要环节。有限元分析软件是重要的分析工具。

以上这些场合直接决定了企业产品的质量、可靠性、成本以及创新，也是未来研发体系建立，不可缺失的环节。

二、学习SOLIDWORKS Simulation的一些心得

在日常工作和培训过程中发现，工程师在实际操作项目的过程中，可以说是频频报错,其主要原因就是分析流程不清楚。分析是一个逻辑很强的过程，没有全面流程的思考，得到想要的结果很难。我们可以把分析流程分为四个大的部分：

1、分析方案构思：

首先应该确定分析的研究对象和目标。实际操作时对象复杂、目标不清楚经常发生。复杂的目标我们应该把目标分解成多个项目来研究。有了这些明确的构思后，我们才可能确定会用到哪些分析类型，以便为后续简化提供依据。

分析的验证和依据也是容易忽略的，因为时常我们没有明确依据和验证的办法，我建议可以从两个方面着手。

相关行业标准，比如振动实验国家标准MIL-STD-810F。验证部分我们应该结合以往实验数据，以及产品实际使用反馈来完善。

2、分析简化： 

简化的目的是突出重点，更高效的得出模拟结果。常见的简化就是几何模型的简化，去掉影响不大的细节特征。我的观点是约束/载荷、接头形式、接触类型以及确定用哪种单元格都是一种简化。

必须有了合理的简化，我们才能顺利而且高效的完成仿真分析，同时也可以获悉分析结果和真实工况的差别。

3、在软件里完成设置：

这个环节其实难度不是太大，我们有很多的教程、视频、帮助文档等都可以帮助我们完成分析的设置。

其中最重要的两个环节，一是网格划分，二是分析设置。网格的目标是用尽量少的网格得到最佳的目标值，网格的多少直接影响整个计算量和精度。其实我有一个看法就是，我们大多数制造业企业项目周期是非常有限的，如果一次分析计算超过一晚上（8个小时），基本上需要一周才有可能完成分析项目，这样对整个项目来说压力会非常大，我们需要根据实际情况取舍。

4、结果判定和后处理：

有限元的过程一定是一个迭代的过程，需要多次计算、多个方案的计算才能得到一个我们可以接受的值。所以我们做有限元分析的时候，不是一拿到模型就知道网格设置多大。

到底我们计算出了什么样的结果是我们可以接受的，一方面，其实我也不知道怎么讲比较科学（就是弄不清楚），只能说需要综合判断，感觉这是一句废话，不具备可操作性，我们可以参考下列方法：

1）重点考察简化的地方，这是对结果直接影响的地方。

2）网格划分，应力/温度变化梯度比较大的地方网格应该尽量的密。网格划分可以真实的表达几何体，如圆角的地方网格应该小于圆角大小的一半，板厚度方向至少需要两层以上的网格等等。

3）坊间流传有一个工程经验的参考，就是对比应力的波节值和单元值之间差距不超过5%。这个时候可以认为网格细化到位了。

4）查看位移的传递，装配体里面两个相邻的零部件位移发生突变（没有位移的传递），应该是这里接触关系设置不正确，也可以做一个频率分析，看看模态，结合的地方是会一起振动。

5）通过工程经验、真实的物理测试或者实际使用的反馈，来验证你分析的趋势对不对。当然对错的判断还是需要谨慎，你以为的不一定是真的。