结构设计CAE分析的核心概念解析

计算机辅助工程，简称CAE，对于经验丰富的CAE分析工程师或学者而言，结合功能强大的CAE程序，大多数结构的数值模拟分析基本上可以做到仿真的地步。

现代大型CAE分析程序，如ABAQUS，ADINA，ANSYS，MARC等，无论在荷载条件的输入、边界条件的设置以及非线性算法的准确性上基本已经做到精确模拟的程度，甚至连很多参数性试验都已经可以通过计算机模拟来代替。

近几年，大型CAE分析程序均已渗入传统设计行业，提高了工程设计水平，但纯粹的有限元分析并不等同于结构设计，将结构设计的一些重要参数和概念引入通用分析过程，实现分析与设计的统一，才是使用通用程序进行工程分析的关键之处。本文旨在结合这些程序在工程设计中使用的一些经验进行总结探讨。

1 大型商用程序的一般技术特征

大型通用分析程序起源于20世纪70年代有限元分析方法的建立，在20世纪70年代末和80年代初，一批功能强大的有限元程序先后出现，如SAP，ALGOR．ANSYS，ADINA，MARC，ABAQuS等。

程序吸纳了固体力学领域最新的算法技术，将求解的固体力学问题通过离散的有限单元来近似模拟，使得由于复杂的边界和构造带来无法用函数求解的固体力学问题可以采用数值方法的手段获得较为准确的模拟结果，这些程序为土木、机械、航空领域带来了革命性的变化与推动。

经过近40年的发展与完善，分析程序均已经具备完善的构架与功能，求解的问题也随着理论算法的改进获得更新与完善，求解的问题也已经由早期的单场问题扩展到多场问题。

国内较早引入CAE分析程序源于20世纪80年代初，主要集中在机械设计领域。20世纪90年代，这些程序逐步引入到土木工程行业，解决了很多传统手段无法解决的结构分析问题，也创造了形式丰富的设计作品。

这期间，国内的研究人员也加快了开发步骤，一批能够解决特定问题的有限元程序也先后涌现。

程序大致分为3类，一类主要面向工程设计，如STADPRO，ETABS，GTSTRUDL，STRAP和3D3S等，程序具备基本的静力和动力分析模块，同时内嵌该区域的设计规范，依据分析结果，可进行设计校核，对以杆系单元为主的结构工程，基本能够胜任，但其单元库较少，可设置边界条件较少，总体计算能力一般。

第二类程序也主要面向工程设计，兼具了部分通用程序的特征，如Sap2000，MIDAS系列等，这类程序单元库相对较多，能够设置一些复杂的结构边界，同时具备线性和非线性求解能力，能对几何非线性问题、材料非线性问题以及过程非线性问题进行基本求解，因此，适应面较广。

但这一类程序主要面向杆系单元为主的结构工程，面向壳体和实体分析时，由于不具网格划分能力，因此，限制了其使用范围。第三类程序便是以ADINA，ABAQUS，MARC，ANSYS等程序为代表的大型通用CAE程序，这类程序具备了较为完善的前处理、计算、后处理能力，单元库丰富，边界设置适应范围广，算法先进，几乎可以求解土木工程领域现阶段的任意工程问题，因此，也获得了工程师们的青睐。但这类程序对工程师的力学分析能力和结构概念要求较高，因此，其使用人群主要还是局限在高校为主。

现代大型有限元分析程序，大都具备如下几个基本的技术特征：

1)CAE的一个发展方向便是和CAD无缝集成，现代CAE程序大都已经具备一定的几何建模能力，几何模型格式一般采用国际主流的PARASOUD格式，便于后期几何模型的编辑运算。但其建模能力往往难以应付复杂的工程问题，因此，这些程序一般都具备较好的几何模型导人接口，常用的X_T，SAT，IGES，STP格式几何一般均能导入CAE，这样便可以采用专业的三维CAD程序完成计算用几何模型的建立。

但由于CAD软件几何建模的尺寸误差，这些模型在导入CAE程序以后，均需要进行修复处理，如骨架线框形成交叉点、实体的连续过渡、曲面的修补、重复几何点的合并等。可以这样说，几何模型的编辑修改能力，是CAE前处理能力的一个重要标志。

2)形成结构离散的直接方法便是几何网格的划分，对于杆系为主的单元划分，所有的CAE程序都不在话下，CAE程序网格划分能力主要体现在对自由曲面的四边形网格划分以及由自由曲面包围形成的实体六面体单元网格划分上，大多数CAE程序均采用结构化网格和自由网格两种划分思路，对于复杂的工程节点分析，如铸钢节点、球杆相贯节点，往往难以采用结构化网格，因此，需要程序具有较强的自由网格划分能力。

网格质量好坏的基本判断，便是网格与几何模型的贴体性，实际工程的几何边界非常复杂，往往难以与结构整体坐标相符，因此，需要用数学构造方法构成贴体坐标系。目前，CAE程序的贴体坐标系生成方法，主要是代数法和微分方程法。

3)有限元仿真的难处在于对边界的模拟，主要包括结构边界、单元边界，传统设计认为，地面就是刚形体的假定在某些大型复杂工程中并不准确，因此要求采用各种连接单元模拟单元与边界的耦合作用，边界单元库以及其设置是CAE程序求解能力的一个重要反映。

4)快速高效的非线性与线性算法对现代大型工程越来越重要，虽然依托电子计算机的高速发展，上千万个自由度的大规模问题求解已经能够在PC机上实现，但工程设计的不同，便是在于设计方案调整的反复性，因此，往往需要CAE程序高效快速的计算能力满足反复试算、方案调整等，现代大型CAE程序往往都已经具备快速高效的计算方法，常用的如NR法、M-NR法、AL法、BFGS法等，都能够满足高效快速准确的计算要求。

5)现代工程设计已经从固体力学领域逐渐渗入到温度场、流场等领域，如厚钢板焊接的温度残余应力模拟、风一结构耦合作用、屋顶水箱制振耦合作用等，主流的大型CAE程序一般都已经具备这些问题的耦合计算能力，在单一的计算平台下，能够实现多场单次耦合或者多次耦合计算。

这些技术特征直接反映了CAE程序的求解能力，要充分驾驭这些技术特征，对工程师无疑是一个艰巨的挑战，需要使用者具备宽泛的知识结构与深入的专业概念。下面，就CAE程序与土木工程结合使用的几个重要环节，对一些关键概念进行论述。

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