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導(dǎo)讀：近年來，隨著有限元分析軟件應(yīng)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(shè)計工程師的分析任務(wù)。但是另一方面，設(shè)計人員未必具備分析人員的知識儲備，很多人對于結(jié)構(gòu)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(xué)等相關(guān)的基本概念，在結(jié)構(gòu)分析中往往會陷入各種誤區(qū)，導(dǎo)致分析的效果大打折扣，甚至得出錯誤的結(jié)果。本文針對設(shè)計人員結(jié)構(gòu)分析中常見的一些誤區(qū)進行分析和討論，希望引起結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)分析，就連什么是結(jié)構(gòu)都不清楚。結(jié)構(gòu)是通過構(gòu)件連接而構(gòu)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(jié)構(gòu)分析。殊不知，如果對于結(jié)構(gòu)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(shè)計思路的作用。實際上，作為可承載的骨架體系，結(jié)構(gòu)內(nèi)部是存在荷載的傳遞路徑的。比如下圖所示的框架結(jié)構(gòu)：在豎向荷載（以自重為代表）作用下，框架結(jié)構(gòu)的傳力路徑是荷載→樓板→次梁→框架梁→框架柱→基礎(chǔ)。在水平荷載（以風(fēng)荷載和水平地震作用為代表）作用下，框架結(jié)構(gòu)的傳力路徑是各樓層節(jié)點（假設(shè)）→框架梁→框架柱→基礎(chǔ)。 在機械和電子產(chǎn)品中，結(jié)構(gòu)的傳力路徑往往沒有建筑結(jié)構(gòu)那樣明確，在設(shè)計這些產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)時，更需要有結(jié)構(gòu)體系的概念，否則就無法形成有效的設(shè)計思路，也就無法正確建模并通過仿真計算來驗證設(shè)計的意圖了。還有的分析人員不能正確區(qū)分主體結(jié)構(gòu)和附屬結(jié)果、不能區(qū)分結(jié)構(gòu)構(gòu)件和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，建模的時候眉毛胡子一把抓，甚至錯誤地把非結(jié)構(gòu)件當(dāng)做結(jié)構(gòu)構(gòu)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(jié)構(gòu)體系化概念引起的。有些分析人員總是糾結(jié)于各種模型中的細節(jié)問題，導(dǎo)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(dān)心簡化了哪個地方會導(dǎo)致計算不準(zhǔn)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(jié)構(gòu)分析中應(yīng)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(dāng)然，簡化都是有依據(jù)的，如果過度簡化可能導(dǎo)致應(yīng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shè)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(xué)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(jié)果就越準(zhǔn)確。實際上，對于靜力分析，根據(jù)基本概念，只需要在高應(yīng)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?xí)驗闊o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(jié)果準(zhǔn)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(biāo)也不是追求網(wǎng)格好看。誤區(qū)四：認為實體單元比結(jié)構(gòu)單元更精確在選擇單元類型時，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)、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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)單元不僅提高了分析效率和精度，也能夠很好反映實際結(jié)構(gòu)受力特征。很多人習(xí)慣于導(dǎo)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(jié)構(gòu)，也需要首先對幾何模型進行清理、簡化、創(chuàng)建印記面等準(zhǔn)備操作，使之適合于有限元分析。對于包含梁、殼等結(jié)構(gòu)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(shè)單元位移模式時，要求滿足完備性條件和協(xié)調(diào)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(jié)構(gòu)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(xué)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(dǎo)致分析結(jié)果不能反映實際情況。如下圖所示的幾個梁結(jié)構(gòu)，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(yīng)了性質(zhì)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(zhì)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(jié)構(gòu)時，對稱面內(nèi)的桿件剛度應(yīng)根據(jù)實際情況取一半。其他約束條件類型的本質(zhì)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(jié)構(gòu)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(dāng)?shù)倪吔缂s束則會直接導(dǎo)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(fù)雜。但是如果沒有力學(xué)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(jié)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(yīng)當(dāng)檢查變形結(jié)果，而不是像很多人那樣先看或只看應(yīng)力結(jié)果。支反力結(jié)果是根據(jù)位移結(jié)果直接導(dǎo)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(jié)構(gòu)的載荷傳遞路徑。應(yīng)變、應(yīng)力結(jié)果是由節(jié)點位移導(dǎo)出的，且由于計算軟件所采用的等參元和數(shù)值積分技術(shù)，這些結(jié)果通常只能得到積分點位置的數(shù)值。所以對于應(yīng)力結(jié)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(yīng)力解答和節(jié)點的應(yīng)力解答，區(qū)分未平均的應(yīng)力解答和平均的應(yīng)力解答，區(qū)分應(yīng)力集中和應(yīng)力奇異。在塑性分析的結(jié)果中，可能出現(xiàn)應(yīng)力超出屈服應(yīng)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(jié)構(gòu)節(jié)點就存在顯著超出屈服強度的區(qū)域。 總之，應(yīng)力結(jié)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(xué)博士，力學(xué)和有限元分析理論功底扎實，長期從事ANSYS軟件應(yīng)用與技術(shù)咨詢工作，累計為國內(nèi)用戶開展培訓(xùn)或講座逾3000人次，編著有《ANSYS結(jié)構(gòu)有限元高級分析方法與范例應(yīng)用（第三版）》、研究生教材《工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法與應(yīng)用》、《ANSYS Workbench結(jié)構(gòu)分析理論詳解與高級應(yīng)用》等。
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