有限元分析軟件作為計算工具，在科研和工程領域都有廣泛應用，而多數用戶是在研究生階段開始接觸和使用這些計算軟件的。本文以ANSYS結構分析為例，對現階段研究生應用有限元分析軟件的現狀和存在的問題進行剖析，并給出相關的建議。
為了發現問題，首先我們來看研究生同學學習和使用計算軟件的現狀，有些可能是共性問題，有些則是個別人出現過的問題，大家也不必都對號入座。
除了部分在本科階段接觸過有限元計算軟件的同學外，碩士研究生通常是在一年級開始接觸這類軟件，一般是在有限元分析課程中用ANSYS等軟件的計算結果來提交課程作業，這些課程作業可能是一些
彈性力學平面問題、軸對稱問題或簡單實體零件的受力分析
，多學時課程的作業可能會涉及到
屈曲分析、模態分析、熱傳導問題、接觸分析
等內容。
有限元課程除了理論方面的習題外，假設一學期要求提交三次上機課程作業，那么軟件學習加上做習題，軟件的累計操作時間最多也就一周左右。軟件入門方面，通常情況是在線搜一些文檔或免費視頻，結合作業要求模仿軟件的操作方法，把模型建好并能夠跑通順利算出結果，然后趕緊寫文檔提交作業，這些
對于初學者來說已經具有一些挑戰了
。
我的自學有限元安排
課程學習階段結束后，通常情況下會忙于開題準備，也不大會有時間系統地學習和提升這些計算軟件的操作技能。當研究方向確定下來后，如果有需要用到計算部分的，這時才開始重新把分析軟件撿起來，而這時通常研究生階段已經過去了一半。即便研究方向明確，課題研究進展有序，那么實驗、數據分析、整理論文等都需要花費不少的時間，留給計算的時間也是很緊湊的。很多同學都是糾結于課題本身的計算問題，可能直到畢業也沒有興趣或者機會再系統地學習一下計算軟件了。
通過上述對研究生學習和應用分析軟件的現狀的觀察，不難發現其中存在的各式各樣的問題。這些問題中有的是由客觀條件引起的，也有的則是和個人學習意愿和主觀認知有關，較為突出的問題有：
實際工程問題通常都是有一定復雜性的問題，要解決這些問題需要軟件使用者基礎扎實、思路清晰、操作熟練，有些問題用軟件現成的功能可能還無法解決，需要進行相關的開發。由于時間緊張等原因，很多同學會有急于求成的心態。有的同學不屑于通過簡單的算例去熟悉軟件使用、系統測試單元特性和分析選項等，上來就試圖解決很復雜的問題。有的同學沒有明確的分析目標，也不清楚相關分析選項的意義，干脆都用缺省設置去做分析。這樣做的直接后果，就是到后來自己都不知道在算什么，事倍而功半。
ANSYS Workbench因其工程化的直觀操作方式，顯著降低了有限元分析的應用門檻和操作難度。有些同學認為，會軟件操作就等于會做分析了。然而事實并非如此。很多人學會軟件操作后，面對實際問題，往往還是不知如何下手；試圖去模仿一些例題的操作方法時，卻不懂為什么這么做；稀里糊涂算出一個結果，卻解釋不了結果對不對。之所以出現這樣的問題，是因為錯以為軟件操作就是分析能力。
實際上，單純的軟件操作，比如創建幾何模型、劃分網格，這些讓高中生按照步驟說明也同樣能做出來，只是中學生不知道做這個有什么意義罷了。因此，沒有力學和有限元方法等理論背景，只是會軟件操作，甚至和中學生沒什么區別。
舉一個簡單的例子，網格劃分的很熟練質量也很高，但是施加了不正確的約束，必然得到錯誤的解答。又比如，有的同學不清楚諧響應分析的相關概念，計算簡諧荷載作用下結構響應時，通過定義正弦曲線載荷函數進行瞬態分析，花費時間多不說，還無法得到想要的結果。
很多同學在軟件使用方面很不規范，究其原因是沒有系統學習過軟件操作，更沒有閱讀過軟件的操作指南。使用軟件大多是為了交作業或者寫論文，靠著問東問西學來的一些野路子，很不規范的操作軟件。很多使用ANSYS多年的老用戶，可能還搞不清載荷步的概念和載荷歷史的管理，不知道節點坐標系、單元坐標系等重要概念。這類問題往往導致計算出現錯誤，或者效率低下。
如下圖所示的梁的右端斜支座，很多同學就不知道該如何施加。對于這個問題，實際上需要通過節點坐標系旋轉實現。在Workbench中可通過Nodal Orientation將節點坐標由缺省方位轉動45度的局部坐標系方向，如下圖所示。這樣對右端節點，總體坐標的45度和135度分別為節點的X和Y方向，約束Y方向位移，施加X方向節點力即可。
又比如施加靜水壓力，涉及到殼體的內外側，在軟件中用殼體的Top面和Bottom來區分，但是很多同學都不知道如何確定哪一側是Top。施加相反的方向導致不同的結果，如下圖所示，左圖為加到殼體的外側，右圖為施加到殼體的內側。
在接觸的定義中也存在由于不清楚哪一側為Top，哪一側是Bottom，導致接觸無法識別引起計算錯誤的的問題，如下圖所示，由于接觸定義中殼體的Top面選擇錯誤，右側鋼板向左移動時，與左側的弧形鋼板之間無法探測到接觸，致使鋼板整體剛體般穿透左側物體。
有限元分析的問題本質上都是物理問題，對結構分析而言就是力學問題。以結構分析為例，彈性力學問題的實質是求解6個獨立的應力分量（剪應力互等）、6個獨立的應變分量以及3個位移分量，這個問題可通過聯立平衡方程（3個）、幾何方程（6個）、物理方程（廣義胡克定律，6個）來求解；一共15方程，15個未知量，需要在已知應力邊界或位移邊界條件下求解這15個偏微分方程。只有把問題的性質搞清楚了，才能調用正確的計算模塊來分析。
實際上，軟件求解器只是基于特定學科的問題編寫的計算程序，物理上無法描述清楚的復雜問題，用有限元分析也同樣無法求解。
有的同學面對給定的求解域和邊界條件的具體問題，是可以用軟件進行分析的，但是面對實際工程問題，就不知道如何入手，說到底是缺乏用概念將問題化歸為一個明確的力學問題的能力，即確定問題的性質（控制方程）、求解域以及邊界條件。在確定求解域和邊界條件時，可取整體結構也可選擇結構的局部進行分析，其依據是處于平衡狀態的結構，其各部分都是平衡的，但是邊界條件的選擇要能符合實際受力情況，求解域的邊界通常選擇那些邊界比較明確的位置。
在有限元分析中，根據力學概念和結構的受力特點，可以對問題進行必要的合理簡化。常見的簡化場合包括：利用對稱性取半邊結構分析、3D問題在特定情況簡化為2D問題（如：空間軸對稱問題）、使用梁殼單元時的等效剛度（厚度）替換、實體模型的細節特征簡化等。這些簡化并不是一味追求簡單地任意簡化，而是有背后的力學概念作為依據的合理簡化。沒有概念的人往往不敢做簡化，或者不知道從哪里入手進行簡化。在模型簡化方面，實際上需要一定的力學功底，特別是材料力學、彈性力學方面的概念。
對于現在的分析軟件而言，后處理操作都是非常直觀的，掌握這些操作并不復雜。但是如果沒有力學知識和工程背景，不了解有限元求解的原理和過程，很可能無法對計算結果的正確性做出評價，或者被一些數值計算的假象所蒙蔽，而得到一個錯誤的認知。
比如說，在塑性分析中定義了塑性模型和材料的屈服點，但是有些位置的應力結果卻超出材料屈服強度，這個問題就涉及到有限元分析的計算原理，了解這些數值現象的產生過程，否則無法解釋清楚，或者是一些一知半解的解釋，比如有的人說是積分點的應力外插引起的，這個解釋其實也不很嚴謹。
有限元分析通常以位移作為基本未知量，因此后處理首先應當檢查變形結果，而不是一算完就去看強度。如果變形有問題，應力其實都不用看了。對于應力結果的后處理，要區分單元的應力解答和節點的應力解答，區分未平均的應力解答和平均的應力解答，區分應力集中和應力奇異。結構分析的支反力結果是根據位移結果直接導出的，可用于檢查總體的平衡條件是否得到滿足。
建議重點把握力學的基本概念、常見問題的理論解答等內容，而不建議把側重點放在解析求解方法上。材料力學、彈性力學是結構分析的必備理論基礎。比如：材料力學基本構件的相關概念是桿系單元分析必備的；彈性力學的圣維南原理，可以為荷載的施加方式提供理論指導；開圓孔方板的應力解答闡釋了應力集中的概念，可以為有限元分析網格劃分提供依據等。
有限元方法是必修課程，ANSYS等計算軟件的理論手冊也建議閱讀和學習。通過學習有限元方法的理論基礎和軟件理論手冊，要弄清剛度矩陣、位移、支反力、應變、應力等量的數值計算過程，了解等參元和數值積分的原理，了解剪切鎖定、體積鎖定、沙漏模式等有關的概念。具備了這樣的理論知識，做有限元分析時，心里才會更加有底氣，也才會更加滿懷自信。
建議沒有軟件操作基礎的技術人員花至少一周左右的時間系統了解一下軟件的基本概念術語和基本操作方法。應當熟悉前處理、求解、后處理的任務，具備創建及編輯幾何模型的能力，掌握部件的連接關系定義方法，掌握網格劃分方法與控制選項，熟悉結構靜力分析、動力分析、特征值分析的求解組織過程和分析設置選項，掌握加載的方法，掌握常用后處理操作。查看和分析結果要注意選擇合適的坐標系。可以借助于切片、路徑、云圖、矢量圖、動畫、探針、圖表等后處理工具對結果進行全方位的數據挖掘。
建議以軟件官方培訓課程和Help文檔中的軟件操作指南為主進行學習，并學會檢索軟件幫助文檔的方法，逐步提高軟件使用的規范性和效率。
建議計算具體問題之前，首先給問題定性，把實際工程問題抽象為一個完整描述的力學問題，包括分析問題的類型、求解域以及邊界條件、工況數據等；在此基礎上，結合軟件的功能和應用，將力學問題轉化為軟件語言，即軟件可以數值求解的分析模型。
驗證結果的正確與否，可通過整體以及局部的平衡條件、與理論解答比較、與實測數據比較、與其他計算結果比較等方式實現。計算結果與理論解、與實測數據的對比是很有意義的。重要的項目建議最好多人分別計算，不同結果之間也可以相互對比和印證。
比如多個人計算同一個問題，計算結果都不一致，那么根據彈性力學解的唯一性定理，毫無疑問，肯定中間有人算錯了，或者都算錯了。如果沒有可以比較的參照物，還可以基于力學概念去分析和驗證。比如，可以根據概念估計上下界限，然后看計算結果是否在此范圍中間。
結構分析絕不僅僅是軟件的操作。很多人只是學會了軟件操作，而沒有學到分析的精髓。軟件的使用要跟力學概念、有限元方法課程、軟件的理論背景結合起來，跟工程領域的行業知識結合起來。當計算過程遇到困難或者計算結果想了好幾天仍然想不通的時候，不要輕易言放棄，再堅持多想一想，也許你就離成功又近了一步。
拓寬知識面，做好專業技能的儲備，不局限于課題研究領域
建議把圖書館資源充分應用起來，適當增加文獻的閱讀量。從期刊論文、學術會議文集或學位論文等文獻資料中，可以了解到很多工程問題的背景資料和計算方法，有的資料中還能了解到一些分析軟件的使用技巧，如模型處理方法和計算實現難點等內容，這些點滴積累都將對今后有很大的幫助作用。
閱讀優秀的原版外文教材也是一個不錯的選擇。那些國際公認的力學和有限元分析的大家們的經典原著或高質量的譯著，往往論述嚴謹、深入淺出，能學到很好的力學思想和方法，并有助于建立正確的概念，這些對于提升仿真分析者的專業水平而言也是很有意義的。
