浅谈有限元分析中的力学与工程思维
理论基础方面，主要就是力学、传热学和有限元方法这些课程。力学和传热学的基本概念和原理可以为分析工程师提供建模、计算以及结果分析方面的理论指导。现在理工科专业本科阶段一般都开设了弹性力学、数理方程这类的基础课，建议学习过程中重点把握基本概念、一些常见问题的理论结果等内容，而无需把侧重点放在解析求解的过程上，因为实际工程问题大多是通过数值方法求解的。比如：弹性力学的圣维南原理动力学与有限元分析，可以为荷载的施加方式提供理论指导；开圆孔方板的应力解答阐释了应力集中的概念，可以为有限元分析网格划分提供依据等。
如果分析杆系结构，应当掌握杆件截面特性，了解节点连接方式、梁的截面定位等概念。如果分析实体或板壳结构，需要了解应力（变）状态、主应力（变）、平面问题、轴对称问题以及3D问题的基本方程和边界条件、薄板弯曲理论等，了解典型问题的理论解答。
对于热分析和热应力分析，需要了解傅里叶定律、导热系数、热膨胀系数等概念，了解固体热传导方程及其边界条件，了解热应力分析基础知识。
对于振动分析，需要了解质量、刚度、阻尼等基本概念，了解结构动力学方程、自由振动和受迫振动、模态叠加等概念。
对于结构稳定性分析，需要了解压杆稳定、板件的受压稳定性等概念。
相信有了这些基础知识，再结合计算软件的操作和对结果的概念分析，在应用过程中就不会出现严重的偏差。此外，有限元方法和软件的理论手册，也建议进行阅读和学习。通过学习有限元方法的理论基础，就不难理解刚度矩阵、位移、支反力、应变、应力等的数值计算过程和剪切锁定、体积锁定、沙漏模式等有关的概念。了解这些以后，做有限元分析心里会更加有底气也会更加自信。
软件操作方面，建议没有软件操作基础的技术人员花一周左右的时间系统了解一下软件的基本概念术语和基本操作方法。应当熟悉前处理、求解、后处理的任务，具备创建及编辑几何模型的能力，掌握部件的连接关系定义方法，掌握网格划分方法与控制选项，熟悉结构静力分析、动力分析、特征值分析的求解组织过程和分析设置选项，掌握加载的方法，掌握常用后处理操作。建议以软件官方培训课程为主进行学习，并学会使用软件帮助文档。
工程知识方面，应当熟悉工程问题的边界条件和载荷工况、相关设计规范标准，并对大致的设计流程有所了解。
（三）
有限元分析所要求解的问题本质上都是力学问题。如果分析者无法为分析的问题定性，那么仿真将是毫无意义的。计算软件的各种分析模块本质上都是根据特定力学问题编制的计算程序，只能计算具体的问题，更无法通过计算发现新的物理机制。
学了那么多力学，怎么还是不会做有限元分析？我建议分析人员首先给要分析的问题定性，把实际工程问题抽象为一个完整描述的力学问题，包括分析问题的类型、求解域以及边界条件、载荷工况等；在此基础上，结合软件的功能和应用浅谈有限元分析中的力学与工程思维，将力学问题转化为软件语言，即软件可以数值求解的分析模型。
在以上的“二次映射”基础上，即可着手实施具体的有限元分析过程了，这一过程可依照前处理、求解、后处理的顺序依次进行。由于求解阶段主要是计算机的工作，因此，前、后处理才是仿真分析的关键。
前处理关键点解读
前处理阶段的目标是为求解器输出一个计算模型。前处理阶段的三个重要任务节点是：准备几何模型、模型的装配与连接，以及网格划分。
有限元分析的几何模型，与三维CAD软件中的几何模型并不等同。比如：板壳结构的几何模型是薄壁的中面而不是实体，即便是实体结构动力学与有限元分析，其几何模型也需要在原始模型的基础上做必要的简化处理，删除一些不必要的特征，或者添加为加载而设置的印记等。
模型的装配与连接，与三维CAD系统中的零件装配也不是一个概念。这里所说的装配是力学意义上的装配而不是几何位置的装配。模型的装配通常包含接触面或其他必要的能够有效传递荷载的力学连接方式。
网格划分是形成有限元模型的必要环节。对不同的结构类型选用合适的单元类型和阶次，对不同的求解域选用不同的网格划分方法和网格控制措施。对于实体结构，优先选用二次单元，不规则域可采用二次四面体单元。实体单元和板壳、梁等结构单元可混合使用。
求解计算关键点解读
求解阶段的主要任务节点包括：分析设置、加载以及求解。
分析设置选项包括分析类型、求解步控制、输出选项等，对于非线性问题，还需定义非线性选项。在所有的分析选项中，求解步选项是最为关键的浅谈有限元分析中的力学与工程思维，根据所选择的分析类型设置求解步，相当于对求解过程的组织和设计。
加载环节，需要根据规划的求解步按步施加约束条件及对应载荷。对于多步分析，载荷历程与加载步（求解步）要对应。要根据作用机理正确选用载荷和约束类型，载荷的数值可以是恒值、表格或函数。
后处理关键点解读
求解结束后，在后处理阶段的任务通常包括：结果正确性的验证、结果的分析以及报告的撰写等。
验证结果的正确与否，可通过整体以及局部的平衡条件、与理论解答比较、与实测数据比较、与其他计算结果比较等方式实现。如果没有可以比较的参照物动力学与有限元分析，则可以基于力学概念去分析和验证。比如，可以根据概念估计上下界限，然后看计算结果是否在此范围中间。
分析和查看结构计算结果时，首先看位移结果，其次才是看应力结果。应力结果要注意区分单元应力和节点应力、角节点的应力和边中点的应力等。查看和分析结果要注意选择合适的坐标系，可以借助于切片、路径、云图、矢量图、动画、探针、图表等后处理工具，对结果进行全方位的数据挖掘。在后处理的过程中，要围绕关键性的设计指标展开分析，注意计算结果是否反映了设计思想和意图。
总而言之，有限元分析实质上就是一个解题的过程，要重视解题的方法，更需要重视题目的提出过程。这好比不仅要会“解方程”，更重要的是要会正确的“列方程”。“列方程”的依据不是别的，正是基于力学和物理学的基本原理。如果在有限元分析的各个环节中都能做到以力学概念和工程经验为指导，必将能够使得分析的过程事半功倍，并能够更好地实现分析的正确性、有效性、经济性。
