有限元软件正确使用指南

有限元软件已经日益在国内得到广泛应用。一些学校也纷纷开设了有限元入门的相关课程，对土木，力学，机械类的高年级大学生讲解有限元软件使用。这是非常好的事情，它对于促进我国的结构创新设计无疑有着重要的意义。

但与此同时，也出现一些令人不安的现象。例如：一些学生仅仅只知道了有限元的皮毛，对于软件，只能说是刚刚会使用，但是他们就已经直接开始分析一些复杂的工程问题，并且把分析结果当做是真实的结果，并且用这种分析结果定量的指导自己的结构设计，这实在令人担心。

有限元方法本身并没有问题，它的确是可以得到许多工程问题的正确结论的，但是前提是使用得法。有些学生在解决动力学问题时，只是简单的用静力学问题进行模拟，然后乘以一个自以为的安全系数来推断动力学问题的答案。如果只是做的玩玩可以，但是如果把这种结果用到实际的工程设计中，则潜伏着巨大的隐患。

列举一个例子来说明此问题。

一根悬臂梁，长1米，截面是直径为10mm的圆形，材料为一般钢材。在自由端受到一个垂直于梁轴线的集中力，大小是1N，该力是一个简谐激励，在0-200HZ之间变化。如下图，要对该梁做强度分析。

首先进行静力学分析。用默认的自由网格划分，在轴线方向的正应力结果如下

可见，最大应力发生在固定端，大小是1.13e7Pa.

然后进行模态分析，得到前6阶固有频率如下

接着进行谐响应分析，扫频0-200HZ,并均分100等份，取固定阻尼比为0.002,则应力的幅值-频率曲线如下

可见，最大应力达到1.79e8Pa.，是静应力的17.9/1.13 = 15.8倍。

取固定阻尼比为0.01，则应力的幅度值-频率曲线如下

可见，最大应力达到9,19e7Pa.，是静应力的9.19/1.13 = 8.13倍。

可见，对于动力学问题，并不能够直接用静力学问题得到结论以后，就乘以一个想当然的1-2的安全系数就可以代表动力学结果。

上述想当然的现象在有限元分析中屡有发生。当这种情况多次发生时，就使得客户开始渐渐不再相信有限元分析的结果，以为它只是一个摆设，这严重影响了有限元的可信度和它的传播。

希望从事CAE工作的工程师们警醒，有限元虽然是一把利器，但是一定要合理使用。我们要清醒的意识到，使用有限元软件并没有那么容易，它底层蕴含着大量的专业学科知识。ANSYS并非仅仅是ANSYS，它只是用计算机语言表达了一系列力学，传热学，电磁学的结论和算法。如果我们并不能对某个实际问题进行正确建模，而贸然去使用软件的话，那么我们所做的分析结果可能完全不可信，距离真实结果有相当的差距。如果用这种结果去进行结构设计，那么我们所设计的结构是具有相当风险的。

从这个方面来说，学习有限元软件，真的是任重道远，它要耗费我们相当的精力，要得到一个真实可信的结果，的确没有那么容易。

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