一文读懂：有限元分析的价值内核究竟是什么？

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一文读懂：有限元分析的价值内核究竟是什么？

工业界现状

中国的制造工业始终处于成长期。当前，仿真技术已成为主流，创新成果也初露锋芒。在产品设计方面，依旧以试验验证为主，理论分析作为辅助手段。

少数行业已开始运用仿真分析技术，但大部分行业仍处于探索阶段，尚未形成相关设计标准。仅有极少数行业对仿真分析过程进行了一定程度的规范与约束。

在工业领域，实验主要分为两类：一类是用于辅助研发的原理性实验，另一类是用于出场检验的鉴定试验。在研发过程中，实验作为设计环节的一部分，应用较为灵活。而出场检验试验则依据不同行业的标准规范执行，是保障产品质量的关键。

目前，我国多数企业的设计研发能力相对薄弱，更侧重于产品检验和验收阶段的试验，而在研发初期，原理性实验的开展尚不够完善。

有限元仿真分析的作用

有限元仿真有何作用？其分析结果意义何在？我们应如何运用这一工具方法？这是每一位从业者都必须深入思考的问题。

有限元仿真本质上是一种偏微分方程求解器。商用软件企业依据不同专业特点和行业标准，开发出专用工具和平台，从而形成适用于各学科的有限元分析软件。

模拟 VS 设计

在开展有限元仿真前，首先要明确本次仿真的目的。

最直观的方式是通过仿真模拟某种现象或过程，这种分析在工业界应用广泛，如模拟工艺过程、碰撞、多自由度运动、大气模拟等。多数情况下，这些分析旨在验证前期的原理或功能性仿真。由于缺乏实验数据支持，此类分析难度较大，结果精度较低，通常只能给出定性结论或参数对结果的影响程度，以找出主要矛盾，为设计和实验的定性工作提供指导。

另一种在工业界广泛应用的方法是将有限元仿真作为设计辅助工具。它不关注真实工况，而是采用已统计包络的载荷作为输入，并通常增加安全系数来考核设计的合理性。

这类分析应用十分广泛，例如土木建筑的抗震设计、汽车白车身分析、压力容器强度设计、电子设备抗振动冲击等。这些分析一般在相对成熟的行业或环节中进行，以设计规范或试验规范为基础开展仿真分析。因此，设计师无需关注真实的工程过程，仿真分析更像是对传统设计中理论分析的替代或补充。

节约成本 & 替代实验

传统设计流程通常在设计完成后，需通过生产试件进行试验验证。这种方式效率较低，成本较高。每次设计迭代都需耗费大量人力和物力。

在产品设计中，有限元仿真可优化产品，排除不合理设计，找出关键性能参数，为设计和试验提供指导。在早期进行虚拟设计迭代，既能降低成本，又能提高设计效率。

此外，仿真分析还可替代一些成本过高或无法完成的试验。

通常，试验过程中的监测点较少且分散，部分测点甚至无法测量。与之相比，仿真分析的优势在于能够突破这些限制，便捷地观察关键部位的情况。

不同阶段的作用

在不同设计阶段，仿真分析发挥着不同作用。在方案阶段，用于方案比较；在设计阶段，用于参数优化；在产品确认阶段，用于校核。由于关注点不同，分析内容和方法也有所差异。此外，结合实验数据不断修正仿真模型和参数，对企业至关重要，因为这些是企业核心数据和竞争力的基础。

效率 VS 精度

在仿真分析中，分析效率与精度相互制约。采用粗糙模型、不准确参数或不合理设置软件参数，都可能影响结果精度，甚至得出错误结果。然而，对于不同仿真目的，精度并非始终是最重要因素。例如，在仅需确定变量对结果影响程度的仿真中，只需保证输入的一致性，对输入准确性要求并不高。

精细建模、准确参数以及合理设置软件参数可显著提高结果精度，但需投入更多时间和成本。随着产品设计日益精细，对结果精度的要求也不断提高。

平衡仿真分析的效率和精度，只能依靠工程师的理论知识和经验。

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