随着全社会对建筑（桥梁）结构景观人文要求的不断提升，设计师随之而来面临许多前所未有的机遇和挑战，在平衡美学与力学之间必须做出艰难选择。美学来自灵感而力学却不得不依赖强大的计算分析工具。显然目前最可靠和实用的分析手段是有限元技术。

自20世纪60年代初首次提出结构力学计算有限元概念的是大名鼎鼎的克拉夫教授（查自百度搜索）。那么有限元技术发展60余年之后已具备哪些分析功能呢？本文借助midas FEA NX程序带领大家开始本次神秘之旅，同时，欢迎大家参加6月8日即将直播的产品发布会，请读者放松心态，也许有些功能您闻所未闻，也许有些功能您觉得妙不可言，也许您觉得有些功能无法想象，请全当“春风得意马蹄疾，一日看尽长安花”吧。 

一、异型结构建模

对于规则外形的结构我们进行分析的难度不大，但对于异型结构我们需要在建模时进行复杂的三维几何体布尔操作比如：并集、差集、交集、嵌入、缝合。有时候我们还需要做分割与转换，此时我们需要的基本功能包括：面分割、扩展、旋转、放样、扫描、镜像、缩放、投影。这些操作在FEA NX中可以轻松实现。

想必看到这里的朋友觉得这些也没什么特别，那请看下边的功能。midas FEA  NX 对于复杂的几何模型，可一键生成实体与实体共面，实体与线以及面与线共线功能，缩短建模时间并减少建模失误。并且提供可在表面印刻点和线，也可印刻穿过实体的线，可在表面印刻点和线，也可印刻穿过实体的线。

至此可能有些朋友会说，这些功能在一些其他软件中实现起来自己更习惯，比如在CAD中绘制自己更熟悉。作为面向全球的工程解决方案提供商，MIDAS不会忽略用户的每一个可能的需求和习惯。midas FEA NX程序支持各类CAD导入，包括：DXF 2D/3D，DWG 2D/3D， Parasolid ACIS STEP，IGES，Pro-E ， CATIA，Solidworks，UG等（不得不说我做了8年设计有些格式我第一次耳闻）。与此同时自然对于midas自己的产品之间互相导入也是必然的。比如一键导入导出mxt（mct，mgt）文件，同时导入单元和节点信息，结构截面特性，边界和荷载条件。更牛的功能是可以把midas Gen&Civil中的杆系模型一键导入生成实体几何。

Gen杆系导入FEA NX自动生成实体

关于几何模型的建立就说到这里吧，因为这些对于FEA NX真的只是雕虫小技，不足以炫耀。

二、有限元网格生成及单元库和材料模型（本构）

1.有限元网格

有限元顾名思义需要划分单元，对于实体和板单元更专业的名称为划分网格，理论上这属于几何拓扑的内容，最终有限元分析结果的精度和品质与网格划分密不可分，让我们看看midas FEA NX 提供哪些划分方式和划分网格的特点。

面单元可自动网格划分，其中包括循环、栅格、德劳内(三角形，四边形)这几种常见网格类型。对于实体单元提供四面体、混合（六面体为主）网格。与此同时提供映射网格划分、自动生成2D到3D单元、延伸网格（扩展、旋转、填充、扫描、投影、偏移）等功能，与此同时可考虑内部点和线自动生成网格、单元尺寸线性变化。

midas FEA NX 搭载高性能的单元网格划分并行计算引擎，创新性的缩短了网格划分时间。不仅可以生成高品质的网格，同时可对其进行检查与编辑。其中包括：焊接接触单元自动生成（自动搜索未共节点的相邻单元分配，焊接接触单元，实现变形协调，防止分析错误）；检查单元拓扑（非流形线、自由面、锁紧单元、重复单元）；检查单元网格质量(纵横比、歪扭角度、翘曲、锥度、雅克比比率、扭曲角、单元长度（最大、最小）、不良单元分组处理)；

2. 单元库

有了上述全面强大的网格划分和检查功能，我们便可以根据具体结构特点选取恰当的单元类型。至此很多朋友想到的一定是这还有什么可介绍的，无非杆系、板单元和实体，那么请跟我一起了解下那些我们不熟悉的单元类型（上述三种单元没必要介绍从略）。

首先是钢束单元，预应力钢束单元，定义预应力参数，直接添加钢筋的刚度至母单元中，无需手动考虑节点耦合。这一功能的强大之处表现为我们可以像操作梁单元一样在实体单元中建立预应力钢束，如果大家有用其余有限元分析程序的经验，我们从前不得不用类似降温的方式模拟预应力效应，建模时也必须手动保证钢束节点与实体节点耦合。

其次是普通钢筋单元，普通钢筋单元直接添加钢筋的刚度至母单元中，无需手动考虑节点耦合。如想考虑钢筋与混凝土之间的粘结滑移效应可手动考虑节点耦合，可添加界面单元。

除此以外还会涉及到更多听起来很高大上的单元类型，比如：冷却管接触单元、界面单元、测量板单元、曲面弹簧、弹性连接、刚性连接等。这些单元在介绍后续分析功能的时候再介绍吧。

3.材料模型（本构）

弹性材料是每款有限元程序都会有的内容不再赘述。塑性材料midas FEA NX提供：范米塞斯、混凝土弥散裂缝、混凝土损伤塑性等塑性模型。除此以外，还可以通过函数体现等效线性和非线性材料。其中包括：一般函数（空间/非空间）、桩顶桩端非线性函数、非线性弹性函数（桁架、点弹簧、弹性连接）、屈服函数（刚度折减率、屈服位移）、屈服面函数。

三、分析内核与荷载和边界、后处理结果

考虑到本文篇幅，常规内容不再赘述，仅介绍那些可以让我们眼前一亮的功能，也衷心的希望看过此文的朋友可以与人交流有限元相关内容多一点谈资。

midas FEA NX提供高性能的64位并行计算求解器,提供独立研发的多波前求解器(Multi-Frontal Solver)，减少计算量和内存需求，分析效率获得创新性提高。使用In Core技术，考虑用户操作环境自动调整数据存储方法。支持多核多线程和GPU的并行计算，最大限度的使用硬件资源，可求解大规模的施工阶段分析模型。

midas FEA NX提供的荷载类型包括：初始应力、热流、热源、固定温度、对流、冷水管、 曲面动力荷载、爆破/列车动力荷载表。

midas FEA NX 提供丰富的边界类型其中包括：固定 、铰接、 无旋转自动定义结构边界条件、定义约束函数边界。从而实现可以快速添加边界条件的效果。

MIDAS系列产品在后处理方面一直处于行业领先水平。midas FEA NX搭载最新图形引擎，可输出多种结果，对于复杂模型也可以直观地查看各种后处理结果。查看结果方法包括：

✦结果标记及结果提取

✦局部方向内力合力

✦文本结果文件输出

✦任意线、构件上图形显示

✦时程结果图表、实时动画

✦根据三维结果，无需另外分析，即可输出任意截面的详细结果

✦分析结果 输出文档，PDF中查看结果

标记点结果

局部方向内力合

四、分析功能

看到这里的朋友请打起精神，因为这部分才是本文的点睛之笔。

    上述介绍内容仅为前后处理的便利性功能，但下述内容却涉及核心技术。请允许我逐一介绍这些强大甚至酷炫的功能。

1. 线性分析与屈曲分析

常规应力内力线性分析甚至几何非线性分析都不足挂齿，仅提特色功能。

midas FEA NX支持预应力钢筋、普通钢筋单元分析，对于钢束的定义，支持用形状坐标的输入方式，同时可以考虑预应力的损失影响。

midas FEA NX屈曲分析考虑变量荷载和常量荷载，得到临界荷载因子，确定结构的稳定性。如果进行二类稳定分析还可以考虑初始缺陷更新节点坐标生成新模型。

2. 材料非线性及界面非线性分析

midas FEA NX提供范米塞斯、混凝土损伤模型、朗肯、特雷斯卡、土体本构等本构模型。

midas FEA NX界面非线性分析提供离散裂纹、粘结滑动、库伦摩擦、组合裂缝-剪切-破碎、非线性弹性等本构模型。

3. 混凝土裂缝分析

midas FEA NX中含有混凝土弥散裂缝本构，可计算出模型裂缝的状态、观测裂缝方向、裂缝大小、应力和应变等信息。为工程师解决特殊构件（如异形楼板、SCR梁、桥墩等）在现有配筋情况下是否会产生裂缝、在什么位置产生了裂缝、产生裂缝后构件刚度发生变化等问题提供依据，并且可对加固方案进行复核计算。

上图发生裂纹的位置用圆形标记表示，圆片面的方向就是裂缝方向，圆的大小代表裂缝的大小。

4. 接触分析

midas FEA NX提供五种接触类型（焊接、一般、双向滑动接触、粗糙度、断裂焊缝），可应用线性分析（焊接接触和双向滑动接触）与非线性分析（粗糙组接触和一般接触）解决两个及两个以上实体相互接触时应力、刚度等变化对结构的影响。

焊接：当主面与从面从初始阶段就连接在一起时使用焊接接触。当执行分析时不允许两面的分离

双向滑动：在拉压双向与焊接接触的表现类似，但是可以在平面滑动。

粗糙：在接触面上承受法向和切向的接触力。与一般接触类型类似，此类型不能应用于线性分析中。在接触面的切向不允许有滑动。

一般：在接触面上承受法向和切向的接触力，不能应用于线性分析中。利用摩擦系数，在接触面的切向允许有滑动。

打断焊接：可分离的焊接接触类型，考虑了定义在接触参数中的法向和切向破坏力；

5. 动力分析

midas FEA NX包含特征值分析，反应谱分析以及时程分析等多种动力分析类型。并且按照国内外抗震规范定义设计反应谱，添加多条地震波，可解决两个或两个以上方向的线性&非线性动力分析，同时程序添加列车动力荷载，可实时监测列车跑动各个时刻对整桥的影响，为监测与加固提供有力依据。

设备基础谐振荷载作用结果 

时程结果

6. 疲劳分析

疲劳材料、零件和构件在循环加载下，在某点或某些点产生局部的永久性损伤，并在一定循环次数后形成裂纹、或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象,它使材料的力学性能下降并最终导致龟裂或完全断裂。

midas FEA NX中用户可以采用S-N应力寿命分析法,E-N应变-寿命法来计算结构的疲劳分析。通过 midas FEA NX提供的疲劳分析用户可以得到：疲劳寿命周期（材料失效时，结构所有荷载的循环次数）和 损伤度（给定循环次的疲劳损伤程度）。

疲劳设置

 疲劳荷载函数

7. 水化热分析

大体积混凝土水化热而产生结构的温度变化和温度应力是结构物产生裂缝的主要原因，可以引起混凝土表面和内部温差不同而产生表面裂缝以及混凝土温度的先升后带来的收缩收到外界约束时的贯穿裂缝，为防止大体积混凝土构件在施工期间产生温度裂缝，保证大体积混凝土构件在结构中的安全使用，就必须对大体积混凝土施工期间的温度场应力分布进行控制。

midas FEA NX可考虑混凝土浇筑的施工阶段，分析大体积混凝土在施工期间的温度及应力的变化规律，并且能模拟冷却水管的作用。

8.热传递分析

硬化后混凝土的耐热性能比较强的，所以对于混凝土结构除水化热以外很少进行其它热应力详细分析。钢材耐火性差，通常在400-600摄氏度范围内就会失去承载力，最终因钢构件变形过大而不能继续使用。

midas FEA NX可考虑温度对材料的影响，确认热传导分析中结构的温度、温度梯度及热流结果，得到各个时刻的温度应力结果；确认火灾时混凝土的损伤厚度，验算火灾时钢筋混凝土结构的安全性。

五、结束寄语

有人的地方就有江湖，在这个叫做土木工程的江湖中，也许你是那个安于现状无欲无求的隐者，也许你是那个渴求真知的赶路人，尔或你是那位仗剑天涯的猛士。但我们都要承认无论是企业还是个人都正在面临残酷的市场竞争和优胜略汰的自然法则。了解和掌握核心技术（工具）是每一位设计师都必须努力的方向。本文至此结束，我们的有限元分析奇妙之旅也将落幕。

MIDAS IT 作为全球工程解决方案的开发商和服务商，衷心祝愿各位设计师可以有更多引以为傲的作品。也希望我们的产品和服务可以成为您纵横四海的一把利器。

END

文案 | MIDAS老朱