摘要：在工程研发领域，结构仿真如同 “虚拟实验室”，能在物理原型制造前，精准预测产品在受力、振动、温度等工况下的结构性能，小到手机外壳的抗摔测试，大到桥梁建筑的承重分析，都离不开它的助力。它不仅能规避设计风险、降低研发成本，更能推动产品向轻量化、高强度、高可靠性方向

在工程研发领域，结构仿真如同 “虚拟实验室”，能在物理原型制造前，精准预测产品在受力、振动、温度等工况下的结构性能，小到手机外壳的抗摔测试，大到桥梁建筑的承重分析，都离不开它的助力。它不仅能规避设计风险、降低研发成本，更能推动产品向轻量化、高强度、高可靠性方向迭代。今天，就让我们一步步拆解结构仿真的完整流程，掌握这一工程核心技术的关键逻辑。

一、立项：把“担心”翻译成“指标”

结构仿真的第一步不是画网格，而是写清楚“我到底怕什么”。

担心手机摔裂？→ 指标：跌落 1.5 m 时屏幕最大主应力 ≤ 80 MPa

怕飞机鸟撞击穿？→ 指标：前缘穿透深度 ≤ 5 mm，质量增加 ≤ 2 %。把“担心”量化成可检查的数，再决定：

1.用不用仿真？（试验太贵或太危险才上 CAE）

2.用哪种仿真？（静力、模态、显式、疲劳、热力耦合……）

3.精度要到哪里？（概念设计 ±20 % 足够，适航取证 ±5 % 都不嫌多）

二、搭建仿真框架：确定模型与分析范围

真实世界没有边界，但计算必须有。

明确目的后，下一步是为仿真搭建 “框架”—— 确定分析模型与计算范围。

从复杂的实际产品中，如何精准圈定需要分析的核心区域？比如分析飞机机翼结构时，是否需包含整个机翼，还是可聚焦于受力最复杂的翼根部位？

边界条件是框架的 “规则”，必须确保信息完整且贴合实际：固定约束处（如机翼与机身连接点）的位移限制、载荷施加位置（如气动载荷作用面）的力 / 力矩大小，都需准确定义。

同时，思考是否可通过简化降低复杂度：对称结构（如圆柱形容器）能否采用 2D 轴对称模型替代 3D 模型？周期性结构（如蜂窝夹层板）能否取单胞进行分析？这些简化不仅能减少计算量，还能让仿真更聚焦于核心问题，避免无关细节干扰结果。

三、几何：把“艺术模型”变成“仿真模型”

设计部给的“珠宝级”CAD 往往带着 0.1 mm 倒角、激光微孔、品牌 Logo。

删：非承载装饰特征一律 suppress；

留：影响载荷传倒角 ≥ 1 mm 的保留，避免“应力陷阱”失真；

补：缺失的焊缝圆角、钣金止裂槽要手工补面，否则寿命预测差 10 倍；

中面：钣金件批量抽中面，厚度用壳属性，一壳顶万体。

最后做“几何清理体检”：自由边、碎面、干涉、锐角零面积，全部清零。

四、分网：把连续体切成“乐高积木”

网格 = 离散误差 + 计算成本的天平。

几何模型准备就绪后，下一步是将其离散化为有限个单元，即网格划分。网格是结构仿真计算的基石，其质量直接决定了计算的精度与效率。 我们需要根据结构特点和关注区域，选择合适的网格类型（如四面体、六面体或混合网格）与尺寸。

在应力集中或梯度变化大的区域（如缺口、圆角处），需要进行网格加密，以确保能够准确捕捉到高应力。同时，要保证网格的过渡平滑，避免过于剧烈的尺寸变化，以免引入数值误差。对于复杂装配体，还需特别注意接触区域的网格匹配性。

五、设定求解规则：配置仿真参数

网格划分完成后，需要为模型赋予“生命”——即定义材料属性和边界条件。准确输入材料属性是仿真可靠的前提，包括弹性模量、泊松比、密度、屈服强度等。对于非线性分析，还需提供塑性数据、蠕变曲线等。

边界条件的设置如同为结构设定真实的力学环境，包括约束（限制刚体位移）和载荷（力、压力、力矩、位移等）。必须确保约束设置合理，避免出现刚体位移导致计算不收敛。同时，载荷的大小、方向和作用方式应尽可能贴近实际工况。

六、启动计算过程：执行仿真求解

一切就绪后，需要配置求解器。根据分析类型（静力学、模态、瞬态、屈曲等）选择合适的求解算法与控制参数。 对于非线性问题，还需设置收敛准则、增量步长等。

对于复杂问题，建议先从简化模型或线性分析入手，验证模型设置的正确性，再逐步扩展到更复杂的非线性或动力学分析，这有助于排查问题并节省计算时间。

七、解读仿真报告：结果后处理与分析

求解完成后，便进入了结果分析阶段。后处理工具为我们提供了强大的可视化与量化分析能力。

云图：直观显示应力、应变、位移的分布情况，快速定位危险区域。

变形图：展示结构在载荷下的变形形态。

动画：对于动力学分析，可以动态展示结构的响应过程。

图表与报告：提取特定路径上的结果变化曲线，生成力-位移曲线、模态振型，计算安全系数等。

工程师需要结合理论与经验，判断结果的合理性与可靠性，例如最大应力是否超过材料屈服强度，变形量是否满足设计要求等。

八、迭代与优化：模型验证与改进

结构仿真往往不是一个一次性的过程。根据初始分析结果，我们可能需要回头修正几何模型、优化网格、调整材料参数或边界条件，然后重新计算。 这个过程称为迭代优化。

将仿真结果与理论解、实验数据进行对比验证（Verification & Validation）是确保仿真置信度的关键步骤。 通过不断迭代，使仿真模型越来越贴近物理现实，从而为设计决策提供坚实可靠的依据。

结语

结构仿真流程是一个系统化、逻辑严密的工程实践。从明确目标开始，历经几何建模、网格划分、设置材料与边界条件、求解计算，到最终的结果分析与模型优化，每一步都需要工程师严谨细致的工作。掌握这一完整流程，能够极大地提升我们利用CAE工具解决实际工程问题的能力，为打造更安全、更高效、更创新的产品保驾护航。

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来源：致远教育