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【摘要】本文主要详细地分析有限元数值模拟技术在结构设计中的使用，并且从理论内容上对有限元法当中包含的求解方法开展了探讨，找出了数值模拟技术在结构设计方面具有的重要优势，给工程使用供给有用的理论依据。
【关键词】有限单元法；数值模拟；结构设计
在力学分析开展的过程中，可以使用的方法非常多，但是从归结方面能够将其分为两个类型，也就是解析法与数值法。可是因为结构物的具体形状与其所受荷载情况的两个方面非常复杂，只有少量非常简单的问题可以使用解析法进行求解，由此导致数值法在力学分析中转变成不能够被取代的且普遍使用的方法，同时还获到连续性发展。有限单元法受到电子计算机技术影响比较大，是以其进步为基础而形成的一种具有新颖特点的数值分析方法。其在数学方面上的逻辑非常严谨，在物理的内容方面极其清晰，技术人员比较容易理解与掌握，由此形成其被使用的范围十分普遍，还可以灵活地对多种比较复杂的问题开展处理与求解，尤其是其使用的矩阵形式表达基本公式，在一定程度上可以方便于快速使用计算机编程进行计算。结构设计的过程中使用有限单元法，其主要把结构物当成是由定量个划分的单元构成的整体，其主要使用单元结点形成的位移或者结点力当做基本的未知量进行求解，此内容其也是有限单元法的基本思路内容[1]。
数值模拟技术对我国目前的建筑结构的科学研究和实际工程使用过程中产生着不可被忽略的作用，其在一定程度上可以推进我国建筑的发展。因为建筑结构的具体体积非常大以及价格较高，开展科学研究时非常艰难或者几乎不可以开展相关的建筑结构模型试验活动，对此，造成了大型的模拟仿真技术对结构设计领有着非常重要的影响。
1.有限元数值模拟技术
我国当前经常使用在工程技术范围里的数值模拟方法包括有四种方法，其分为有限、边界和离散三种单元法以及有限差分法，可是根据方法本身的实用性与使用普遍性的两个方面来说，主要使用的还是有限元法。有限元法的基本思想是把问题的求解区域划分为一系列单元，单元间的连接只依靠节点进行连接。而单元节经过选定的函数关系插值获得的数值，便是单元内部点实际的待求量。因为单元的形状非常简单，方便使用平衡关系或者能量关系在节点量间构建有关的方程式，再把每个单元方程聚集在一起，由此便可产生总体代数方程组，在将边界条件进行计入的前提下，可以对方程组进行求解[2]。问题的求解区域当中的单元划分可对计算结果造成影城，其划分范围越细，计算结果也就越准确。
近年来，随着社会和技术发展的需要，形成数值模拟技术经过计算机程序被普遍地使用在工程上。而90年代的到来，世界上越来越多有限元通用软件被使用在的比较大型的工程中，其种类可达几百种，另外，此类软件的功能随着技术的进步不断被完善，产生了可以对在多种条件下工程开展计算的有限元分析程序，同时还出现了具有功能非常强大的可以进行前后处理的程序。因为该类程序具有使用便捷和计算比较精准两个优势，由此当前各类工业的产品设计与性能分析主要以使用其计算得出的结果作为可以依靠的根据。在工程技术范围内使用有限元数值模拟技术对工程开展求解，能够降低设计的成本投入，减少设计与分析的循环时间，影响产品与工程的可靠性，使其呈现增加的趋势。由此可以知道，限元数值模拟技术使用在结构设计中，可以在开展优化设计时减少工程材料的成本与花费，进行工程施工与产品制造之前可以预先察觉形成的问题。
2.有限元求解方法分析
有限元法使用在工程中，其分析计算的思路与作法主要如下所示：
（1）对单元剖分和插值函数的确定。按照构件自身的几何特性、载荷能力以及设计所要求的变形点，构建包含每种单元的计算模型，然后根据单元的性质与精度形成的要求，将可以表达单元里面每个点的位移函数写出来，主要为u（x，y，z），v（x，y，z），w（x，y，z）或者d=S（x，y，z）α，通过这些函数可以计算出相关的数值。
根据节点位置具备的边界条件，写出用α来表示的节点位移qe=Ca，对C-1以及α=C-1qe两者的具体数值求解出来后，再代入到方程d=Sα中，便可以计算出单元体内任意点的插值，其函数式主要如下：
d=SC-1qe=Nqe
（2）对单元特性分析。根据弹性力学的内容可以知道：
ε=Bqe
那么相应的变分函数为：δε=Bδqe
根据物理关系能够得出应变与应力的关系可以用这个函数表示：σ=Dε=DBqe
按照虚位移原理的相关内容，便可得出单元节点力与位移之间的关系方程式为：?e=Keqe，公式中的K主要代表整体结构的刚度矩阵，使用该方程进行具体的计算便可以知道刚度的具体矩阵。
（3）单元组集。将各单元根据节点组的集成和结构大致相似的整体结构，由此得出整体结构的节点力和节点位移两者之间的关系方程组为：?=Kq
（4） 对有限元方程进行求解。可以使用各种计算方法对有限元方程进行求解，获取各节点的具体位移数值。可是开展解题前，需要对结构平衡方程组的边界条件开展处理，然后再计算出节点位移q。
（5）计算应力。计算出每个节点的具体位移q 后，使用ε=Bqe与σ=Dε两个方程式便可以计算出相应的节点应力。
3.有限单元法在工程中的应用
3.1高桩码头模型
某公司在长江中下游的高桩码头建造工程中，工程结构设计中使用限单元法建立了有限元模型。该码头的长度为350m，宽为30m，其面标高7m，排架之间的距离为8m。码头的桩基均使用规格为600mm×600mm的预制混凝土空心方桩。仅仅只有在输油臂地点面板中间增加设置2根直桩与2根叉桩，剩下的标准段内各排架设置8根桩、2根直桩以及4对叉桩。其纵向梁系和横梁在节点位置进行整体现浇，面板主要使用预制叠合板。
使用有限元对结构开展计算，对于结构比较复杂的类型，其可以开展模拟。传统的理论计算方法对情况比较复杂的结构开展理论计算时，经常将结构的实际受力情况开展合适简化，由此计算出来的结果精准度不高，而使用有限元模拟方法可以尽量地将结构实际的受力情况反映出来，可以确保计算结的准确度。另外，使用过去的理论计算通常不可以容易地知道结构各个细部的受力情况，但有限元方法却可以将结构的各点的受力情况如实表达[3]。构造设计构建有限元模型时，必须按照图纸内容对工程进行三维模型的构建，如此能够经过三维模型对图纸开展检查，确认其正确与否。比如上述提到得到某公司在长江中下游的高桩码头建造工程中，假如高桩码头内叉桩的倾斜角度不准确，非常有可能导致与其相邻的直桩或者叉桩出现在空间上相交的现象，此时能够经过有限元三维模型对角度开展有效的调整。
综上所述，在工程范围内使用有限元数值模拟技术，不仅能够处理好工程中出现的各种结构问题，同时还能够有效地处理传热学、流体动力学以及声学等范围存在的问题。因为其在明显增加高产品设计性能和减少设计时候的同时又可以加强产品在市场竞争中的能力，由此导致目前社会上各类工业产品的设计与性能分析均以使用有限元法计算得出的结果作为可靠的根据。
【参考文献】
[1]陈杰，张治民.有限元数值模拟在精密塑性成形中的应用[J].重型机械科技，2007，10（02）：189-190.
[2]魏雪丰，莫璇.有限元强度折减法在滑坡稳定性系数计算中的应用[J].科技信息，2010，15（31）：156-157.
[3]于汇泳，祁文军，李昌雪.有限元数值模拟技术在汽车冲压成形中的应用[J].现代制造工程，2005，14（S1）：146-147.
【关键词】有限单元法；数值模拟；结构设计
在力学分析开展的过程中，可以使用的方法非常多，但是从归结方面能够将其分为两个类型，也就是解析法与数值法。可是因为结构物的具体形状与其所受荷载情况的两个方面非常复杂，只有少量非常简单的问题可以使用解析法进行求解，由此导致数值法在力学分析中转变成不能够被取代的且普遍使用的方法，同时还获到连续性发展。有限单元法受到电子计算机技术影响比较大，是以其进步为基础而形成的一种具有新颖特点的数值分析方法。其在数学方面上的逻辑非常严谨，在物理的内容方面极其清晰，技术人员比较容易理解与掌握，由此形成其被使用的范围十分普遍，还可以灵活地对多种比较复杂的问题开展处理与求解，尤其是其使用的矩阵形式表达基本公式，在一定程度上可以方便于快速使用计算机编程进行计算。结构设计的过程中使用有限单元法，其主要把结构物当成是由定量个划分的单元构成的整体，其主要使用单元结点形成的位移或者结点力当做基本的未知量进行求解，此内容其也是有限单元法的基本思路内容[1]。
数值模拟技术对我国目前的建筑结构的科学研究和实际工程使用过程中产生着不可被忽略的作用，其在一定程度上可以推进我国建筑的发展。因为建筑结构的具体体积非常大以及价格较高，开展科学研究时非常艰难或者几乎不可以开展相关的建筑结构模型试验活动，对此，造成了大型的模拟仿真技术对结构设计领有着非常重要的影响。
1.有限元数值模拟技术
我国当前经常使用在工程技术范围里的数值模拟方法包括有四种方法，其分为有限、边界和离散三种单元法以及有限差分法，可是根据方法本身的实用性与使用普遍性的两个方面来说，主要使用的还是有限元法。有限元法的基本思想是把问题的求解区域划分为一系列单元，单元间的连接只依靠节点进行连接。而单元节经过选定的函数关系插值获得的数值，便是单元内部点实际的待求量。因为单元的形状非常简单，方便使用平衡关系或者能量关系在节点量间构建有关的方程式，再把每个单元方程聚集在一起，由此便可产生总体代数方程组，在将边界条件进行计入的前提下，可以对方程组进行求解[2]。问题的求解区域当中的单元划分可对计算结果造成影城，其划分范围越细，计算结果也就越准确。
近年来，随着社会和技术发展的需要，形成数值模拟技术经过计算机程序被普遍地使用在工程上。而90年代的到来，世界上越来越多有限元通用软件被使用在的比较大型的工程中，其种类可达几百种，另外，此类软件的功能随着技术的进步不断被完善，产生了可以对在多种条件下工程开展计算的有限元分析程序，同时还出现了具有功能非常强大的可以进行前后处理的程序。因为该类程序具有使用便捷和计算比较精准两个优势，由此当前各类工业的产品设计与性能分析主要以使用其计算得出的结果作为可以依靠的根据。在工程技术范围内使用有限元数值模拟技术对工程开展求解，能够降低设计的成本投入，减少设计与分析的循环时间，影响产品与工程的可靠性，使其呈现增加的趋势。由此可以知道，限元数值模拟技术使用在结构设计中，可以在开展优化设计时减少工程材料的成本与花费，进行工程施工与产品制造之前可以预先察觉形成的问题。
2.有限元求解方法分析
有限元法使用在工程中，其分析计算的思路与作法主要如下所示：
（1）对单元剖分和插值函数的确定。按照构件自身的几何特性、载荷能力以及设计所要求的变形点，构建包含每种单元的计算模型，然后根据单元的性质与精度形成的要求，将可以表达单元里面每个点的位移函数写出来，主要为u（x，y，z），v（x，y，z），w（x，y，z）或者d=S（x，y，z）α，通过这些函数可以计算出相关的数值。
根据节点位置具备的边界条件，写出用α来表示的节点位移qe=Ca，对C-1以及α=C-1qe两者的具体数值求解出来后，再代入到方程d=Sα中，便可以计算出单元体内任意点的插值，其函数式主要如下：
d=SC-1qe=Nqe
（2）对单元特性分析。根据弹性力学的内容可以知道：
ε=Bqe
那么相应的变分函数为：δε=Bδqe
根据物理关系能够得出应变与应力的关系可以用这个函数表示：σ=Dε=DBqe
按照虚位移原理的相关内容，便可得出单元节点力与位移之间的关系方程式为：?e=Keqe，公式中的K主要代表整体结构的刚度矩阵，使用该方程进行具体的计算便可以知道刚度的具体矩阵。
（3）单元组集。将各单元根据节点组的集成和结构大致相似的整体结构，由此得出整体结构的节点力和节点位移两者之间的关系方程组为：?=Kq
（4） 对有限元方程进行求解。可以使用各种计算方法对有限元方程进行求解，获取各节点的具体位移数值。可是开展解题前，需要对结构平衡方程组的边界条件开展处理，然后再计算出节点位移q。
（5）计算应力。计算出每个节点的具体位移q 后，使用ε=Bqe与σ=Dε两个方程式便可以计算出相应的节点应力。
3.有限单元法在工程中的应用
3.1高桩码头模型
某公司在长江中下游的高桩码头建造工程中，工程结构设计中使用限单元法建立了有限元模型。该码头的长度为350m，宽为30m，其面标高7m，排架之间的距离为8m。码头的桩基均使用规格为600mm×600mm的预制混凝土空心方桩。仅仅只有在输油臂地点面板中间增加设置2根直桩与2根叉桩，剩下的标准段内各排架设置8根桩、2根直桩以及4对叉桩。其纵向梁系和横梁在节点位置进行整体现浇，面板主要使用预制叠合板。
使用有限元对结构开展计算，对于结构比较复杂的类型，其可以开展模拟。传统的理论计算方法对情况比较复杂的结构开展理论计算时，经常将结构的实际受力情况开展合适简化，由此计算出来的结果精准度不高，而使用有限元模拟方法可以尽量地将结构实际的受力情况反映出来，可以确保计算结的准确度。另外，使用过去的理论计算通常不可以容易地知道结构各个细部的受力情况，但有限元方法却可以将结构的各点的受力情况如实表达[3]。构造设计构建有限元模型时，必须按照图纸内容对工程进行三维模型的构建，如此能够经过三维模型对图纸开展检查，确认其正确与否。比如上述提到得到某公司在长江中下游的高桩码头建造工程中，假如高桩码头内叉桩的倾斜角度不准确，非常有可能导致与其相邻的直桩或者叉桩出现在空间上相交的现象，此时能够经过有限元三维模型对角度开展有效的调整。
综上所述，在工程范围内使用有限元数值模拟技术，不仅能够处理好工程中出现的各种结构问题，同时还能够有效地处理传热学、流体动力学以及声学等范围存在的问题。因为其在明显增加高产品设计性能和减少设计时候的同时又可以加强产品在市场竞争中的能力，由此导致目前社会上各类工业产品的设计与性能分析均以使用有限元法计算得出的结果作为可靠的根据。
【参考文献】
[1]陈杰，张治民.有限元数值模拟在精密塑性成形中的应用[J].重型机械科技，2007，10（02）：189-190.
[2]魏雪丰，莫璇.有限元强度折减法在滑坡稳定性系数计算中的应用[J].科技信息，2010，15（31）：156-157.
[3]于汇泳，祁文军，李昌雪.有限元数值模拟技术在汽车冲压成形中的应用[J].现代制造工程，2005，14（S1）：146-147.