結(jié)構(gòu)分析工具是什么？為什么要做結(jié)構(gòu)有限元分析？

　　隨著有限元分析軟件應(yīng)用的普及，逐步開(kāi)始從過(guò)去僅局限于科研人員論文中的問(wèn)題，發(fā)展成為設(shè)計(jì)工程師的分析任務(wù)。但是另一方面，設(shè)計(jì)人員未必具備分析人員的知識(shí)儲(chǔ)備，很多人對(duì)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(méi)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(huì)陷入各種誤區(qū)。

　　對(duì)于日漸繁雜的各類(lèi)有限元軟件，來(lái)談?wù)勅绾慰创Y(jié)構(gòu)軟件老生常談的話題，針對(duì)結(jié)構(gòu)工程軟件在結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用的個(gè)人角度思考：

　　結(jié)構(gòu)分析的目標(biāo)是什么?

　　首先，結(jié)構(gòu)分析的目標(biāo)不是獲得結(jié)構(gòu)行為的精確模擬，而是獲得幫助做出設(shè)計(jì)決策的信息。但是并不意味，計(jì)算分析手段并不重要，盡管各類(lèi)軟件存在計(jì)算或者假定缺陷，工程師應(yīng)當(dāng)盡力去利用概念去彌補(bǔ)軟件缺陷(如概念上考慮填充墻的周期折減系數(shù)、荷載系數(shù)等)，構(gòu)建較為可靠的、可提供決策信息的計(jì)算模型。，為建立合理的仿真模型，可對(duì)現(xiàn)用實(shí)際模型進(jìn)行試驗(yàn)仿真校準(zhǔn)，即通過(guò)模態(tài)等動(dòng)力測(cè)試方法以及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的方式，對(duì)已建建筑進(jìn)行測(cè)試，可以構(gòu)建或修正相對(duì)可靠吻合度較高的力學(xué)有限元模型。

　　但大部分時(shí)候，工程師做的是設(shè)計(jì)分析模型，即建筑物是從無(wú)到有，不論我們提供多么精細(xì)的參數(shù)，由于建筑物復(fù)雜的組合性，我們是無(wú)法保證最后建成的所有動(dòng)力特性，力學(xué)特征都一模一樣。因此，無(wú)論分析模型多么復(fù)雜，分析結(jié)果幾乎肯定是近似的。，雖然分析結(jié)果是近似的，但是為了獲取得到對(duì)工程設(shè)計(jì)有用的決策信息，工程師需要在當(dāng)前技術(shù)條件下，利用計(jì)算機(jī)程序模擬特定問(wèn)題，以盡可能的完善，得到有用的結(jié)論，為工程設(shè)計(jì)提供必要的技術(shù)支持。其中，盡可能的完善，并非一定需要建立完整的實(shí)體單元;，盡可能的完善，也并非構(gòu)建非必要的細(xì)部特征。

　　實(shí)體模型與桿系板殼單元如何選擇?

　　事實(shí)上面對(duì)不同的問(wèn)題，盡可能完善，考慮的不止是我們需要計(jì)算的問(wèn)題，也要綜合考慮計(jì)算自由度，計(jì)算機(jī)資源、使用的軟件(甚至是算法)的適用性或者局限性，選擇相對(duì)最優(yōu)的方案，來(lái)達(dá)到分析目的，得到我們想了解的結(jié)果，以便最終做出工程決策。，實(shí)體單元未必強(qiáng)于桿系板殼單元體系，針對(duì)不同問(wèn)題，選擇適當(dāng)?shù)膯卧?lèi)型得到正確的結(jié)果。不必一味追求實(shí)體單元，就如選擇一個(gè)大體量的建筑結(jié)構(gòu)的模擬分析時(shí)，最經(jīng)濟(jì)且精度最好的分析單元選擇，我們更關(guān)心的是整體的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，以及各個(gè)構(gòu)件的性能，因此對(duì)于成熟的穩(wěn)定的特征(如常規(guī)的節(jié)點(diǎn))，是可以進(jìn)行合理簡(jiǎn)化或假定，并非需要完整構(gòu)建出來(lái)。

　　所以對(duì)于大體量建筑結(jié)構(gòu)的分析模擬，應(yīng)選擇桿系板殼單元，而非實(shí)體單元，不單單是計(jì)算量的問(wèn)題，實(shí)體單元的假定較少，可靠性較低，相對(duì)桿系板殼單元體系解決大體量超多構(gòu)件的結(jié)構(gòu)，難以得到穩(wěn)定的結(jié)果，特別是在非線性上極易失真。

　　而對(duì)于材料成熟，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的細(xì)部構(gòu)造特征的受力分析，則可以選擇采用板殼(如鋼板)或?qū)嶓w單元對(duì)細(xì)部構(gòu)造進(jìn)行模擬分析。進(jìn)而對(duì)與整體結(jié)構(gòu)中，含有未知構(gòu)造的節(jié)點(diǎn)或者精細(xì)特征，可以采用主子結(jié)構(gòu)的多尺度混合分析的策略得到更優(yōu)的結(jié)構(gòu)精度和計(jì)算效率。

　　概念，or，計(jì)算?

　　似乎炒“概念”，更能得到共鳴，更多人更愿意承認(rèn)概念，>，計(jì)算。而事實(shí)上大部分人的概念并非概念，而僅僅是主觀感覺(jué)。實(shí)際上當(dāng)概念不足以支撐工程決策時(shí)，合理的試驗(yàn)分析+計(jì)算分析是個(gè)不錯(cuò)的備選選擇。這也是當(dāng)我們的累計(jì)足夠試驗(yàn)研究，總結(jié)了分析設(shè)計(jì)方法，并提升了計(jì)算算力之后，陸陸續(xù)續(xù)的超限工程的落地實(shí)現(xiàn)的原因。，建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算，通常是，計(jì)算設(shè)計(jì)，+，構(gòu)造。為了構(gòu)建正確的計(jì)算設(shè)計(jì)模型，恰恰需要扎實(shí)的力學(xué)概念(如考慮正確的邊界條件等)，并搞清楚分析的目的是什么，而對(duì)于提高建筑物的安全性的構(gòu)造，是需要扎實(shí)的工程概念。

　　顯然，

　　概念為先，機(jī)理為本!

　　概念為先，機(jī)理為本!

　　概念為先，機(jī)理為本!

　　計(jì)算是機(jī)理的體現(xiàn)，概念是指導(dǎo)計(jì)算的方向盤(pán)，計(jì)算是驅(qū)使概念得以實(shí)現(xiàn)的電機(jī)。

　　作為新生代的設(shè)計(jì)師，概念和機(jī)理的重要程度對(duì)比，顯然二者是同等重要的。結(jié)構(gòu)軟件、結(jié)構(gòu)分析只是一把工具，如何讓它為我們服務(wù)取決于我們自己。

　　“算不準(zhǔn)”，還是，“不準(zhǔn)算”

　　混凝土的微結(jié)構(gòu)是非常復(fù)雜且非連續(xù)的，它主要由骨料相、膠體相和過(guò)渡區(qū)三相構(gòu)成，而每一相本身又都具有復(fù)雜的多相結(jié)構(gòu)，各相的性能對(duì)混凝土整體的宏觀性能都有較大的影響。所以，我們常見(jiàn)混凝土的本身隨機(jī)性而言，它的物理本質(zhì)決定了它不可能被完全客觀的確定。因此，只能通過(guò)模糊的宏觀力學(xué)行為加以定義。由此可見(jiàn)，再完善的計(jì)算模型也無(wú)法考慮到影響混凝土結(jié)構(gòu)性能的所有因素，對(duì)計(jì)算的過(guò)度迷信往往會(huì)使人忘卻問(wèn)題的基本屬性(概念)。，巖土或地基基礎(chǔ)相關(guān)的計(jì)算分析也一樣，土的復(fù)雜力學(xué)屬性也決定了我們目前只能通過(guò)比混凝土更模糊的宏觀力學(xué)行為定義，似乎更多的采用的是“概念”和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。而這樣所謂的概念和經(jīng)驗(yàn)公式，是無(wú)法進(jìn)一步揭示土體奧秘的。對(duì)于“概念”和經(jīng)驗(yàn)公式過(guò)度迷信往往會(huì)使人陷入經(jīng)驗(yàn)主義而無(wú)法推動(dòng)認(rèn)知。

　　因此，對(duì)于極左或極右都是不可取的。，首先結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的計(jì)算分析，是提醒工程和科研人員，應(yīng)該把握問(wèn)題的基本屬性，正確利用計(jì)算分析的工具及其結(jié)果，并給出有用的決策信息。我們要肯定的是計(jì)算模擬是探索工程問(wèn)題的力學(xué)本質(zhì)的有力工具。，對(duì)于科研工作者或開(kāi)發(fā)者而言，通過(guò)將計(jì)算結(jié)果與試際結(jié)果對(duì)比，尋找計(jì)算模型的不足，改善計(jì)算模型，在一定范圍內(nèi)有助于認(rèn)清對(duì)問(wèn)題起關(guān)鍵作用的影響因素。而我們也正追求的理想真理，也是用最完美計(jì)算模型，將真實(shí)世界，復(fù)刻到計(jì)算機(jī)中，雖永遠(yuǎn)不能至，但正一步步的努力靠近!，同時(shí)，我們應(yīng)該認(rèn)識(shí)到“算不準(zhǔn)”是普遍的、絕對(duì)的，在復(fù)雜多場(chǎng)耦合的世界里，我們結(jié)構(gòu)工程所努力的大部分僅在應(yīng)力場(chǎng)、流體場(chǎng)內(nèi)，而即便僅在次，都存在大量假定。因此，任何模型必然不可能包羅萬(wàn)象，而只能把握模式適用要點(diǎn)，所以一切計(jì)算結(jié)果都具有其局限性。因此，雖“算不準(zhǔn)”，但要算，不僅要算，還要發(fā)展計(jì)算。且要在把握概念下，用好計(jì)算分析模擬，并且給工程最恰當(dāng)?shù)男畔Q策。

　　工程師應(yīng)該注意什么?

　　(1)在選用不同分析方法時(shí)(反應(yīng)譜分析、彈(塑)性分析、屈曲分析等等)，需要考慮問(wèn)題的相關(guān)因素。正確選擇分析方法和分析理論，對(duì)于結(jié)構(gòu)分析具有重要決策作用。，(2)結(jié)構(gòu)分析應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)類(lèi)型、材料性能和受力特點(diǎn)(循環(huán)荷載、地震作用、風(fēng)荷載等)等，采用線性、非線性方法(包括：材料非線性、幾何非線性、接觸非線性等)。當(dāng)結(jié)構(gòu)性能是始終處于彈性狀態(tài)或弱非線性狀態(tài)時(shí)，可采用彈性分析理論或等效彈性分析方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，當(dāng)結(jié)構(gòu)處于強(qiáng)非線性狀態(tài)時(shí)，應(yīng)采用相對(duì)于的非線性分析方法(如：彈塑性分析)。

　　(3)正確使用所選擇軟件，在使用任意一款有限元軟件之前，需要了解軟件對(duì)我們所構(gòu)建問(wèn)題的適用性、局限性。而非任何問(wèn)題對(duì)任何軟件都可以計(jì)算分析。

　　總結(jié)：

　　1、任何軟件分析的結(jié)構(gòu)是近似的;

　　2、概念還是計(jì)算似乎成了哲學(xué)問(wèn)題，合理的計(jì)算分析可以重現(xiàn)力學(xué)概念，一味的追求概念忽略分析結(jié)果，可能會(huì)走入經(jīng)驗(yàn)主義的誤區(qū)。