３．處理有點麻煩，但對ＣＰＵ很友善的優雅類型．薄殼元素
再來要介紹的是薄殼元素。
這裡同樣使用在介紹實體元素時分割過的圓筒管，改用薄殼元素來分割看看（如圖４）。薄殼元素也有三角形與四邊角形等種類。而在同一個模型當中，當然也可以混用三角形與四邊形的薄殼元素。
圖４ 以薄殼元素切割圓筒管
使用薄殼元素來分割圓筒管後，會不會覺得割完後的模型變小一輪了？這是當然的，因為薄殼元素並不是元件的表面來製作／切割有限元素模型。既然薄殼元素是一種「平板／殼」，以這次要切割的圓筒為例，就必須在原本有２０ｍｍ厚度的肉厚中心位置做出一道面，才在這個面上割出薄殼元素。而這個位於肉厚中心的面，就稱為「中立面」（如圖５）。
圖５ 所謂的中立面
這個中立面雖然是個簡單易懂的概念，但有個麻煩的問題。就是「無法直接拿ＣＡＤ圖檔來使用」。在使用ＣＡＤ的實體模型（這個實體不是指實體元素中的實體，而是相對於只有曲面構成的模型，實體模型是實心、有肉的）時，中立面等於是要埋在實體模型之中。而且實體模型中本來就不存在中立面，所以必須為了薄殼元素而去特別製作中立面。但如果使用的是ＣＡＤ的曲面模型，其曲面也不是中立面，而是元件的表面，還是必須另外要將曲面模型的表面偏移製作成中立面才行。換句話說，打算使用薄殼元素時，因為需要中立面，就得另外製作中立面。雖然也有可以自動產生中立面的前處理器，但大多還是要靠手工來修改．．．（如圖６）。
圖６ 建立中立面的麻煩處
這裡說明一下模擬運算的花費時間。模擬運算的時間和節點的數量是成比例關係的。而且並不是線性的比例關係，而是指數函數的比例關係。當然這個時間也和使用的ＣＰＵ計算能力與記憶體的大小有關係，沒辦法有很正確的預期，但可以說節點數越多，模擬運算的時間可是跳躍性的大幅度成長。
使用薄殼元素時，雖然製作中立面很麻煩，但卻能大幅度減少有限元素法的節點。以這次舉例的圓筒管來說，使用六面體實體元素來切割時的節點數是四邊形薄殼元素的節點數的四倍。雖然還跟模型本身的規模大小有關，但節點數增加四倍的話，模擬運算時間絕對是四倍以上不會錯的。
當然，適合薄殼元素的元件就是「板材元件」。好比說板金元件、汽車或飛機的機體這種本身就是用板材製造而成的物件都很適合薄殼要素。（如圖７）
圖７ 適合使用薄殼元素的物件．產品
４．看起來很單純，其實也很麻煩的桿元素
最後來談談桿元素。
這裡也同樣使用桿元素來切割圓筒管。看到以後，會不會突然有種寒酸冷清的感覺？這是因為桿元素就單純只有節點與節點之間的連結而已。看起來寒酸冷清那是當然的。（圖８）
圖８ 以桿元素來切割圓筒管，就會有種寒酸冷清的感覺。
桿元素的表現本質，可以說就是「假設這是一根桿子．．．」。這個「假設這是．．．」的部分可說是非常重要。這次就是將圓筒管假設成一根桿子來模擬。
在我還是菜鳥數值模擬者的時候，做過船舶構造計算的工作。這份工作真的讓我學習到很多，畢竟有限元素法導入設計的計算中，幾乎可以說就是從造船業開始的。當時就有將一艘船假設成一根桿子，然後利用手算來模擬船體的強度。當然這只是概略性的計算。不過，不管是一根直徑１００ｍｍ的圓筒管也好、一艘船隻也好，如果都假設成是一根桿子的話，該怎麼去定義圓筒管與船隻的差異呢？
能夠定義這兩者差異的，就是「截面特性」。所謂的截面特性，就是能用來將一般物體改用桿元素表現（假設）的截面力學性能數值群。這些數值群則是由以下的項目構成的：
截面積
截面慣性矩（second axial moment of area）
扭矩常數（torsional constant）
形狀係數（shape factor）
方向向量
偏移量
如果截面是圓形或矩形這樣單純的形狀的話，以上的截面特性是比較容易計算出來，但如果像是Ｉ型、Ｈ型或Ｌ型等比較複雜一點的截面積形狀，也就需要更複雜的計算。因此打算使用桿元素的時候，一定會需要求出截面特性，請務必要有心理準備。
關於截面特性的計算方法，恐怕就可以寫出一系列的連載，所以這個就留待有機會寫番外篇再說。
至於適合使用桿元素的原件，當然就是「長得像桿子、棒子的東西」。例如鐵塔、鐵橋、衣架、軸等等，就很適合使用桿元素來簡化分割。
圖９ 適合使用桿元素的元件、產品
以上分別介紹了實體元素、薄殼元素、桿元素。這次的介紹僅不過是讓大家對有限元素有個概念，並不是說衣架就不能使用實體元素來切割。當然，也不是說一個模型之中，只能使用一種元素來切割。
這次說明的三種元素，是為了使用有限元素法來表示構造或元件時，絕對不可或缺的重要元素。在學習使用這些元素之前，請務必掌握住這些元素的特色。
其實實體元素與薄殼元素在實際跑模擬計算的現場，都有特殊的綽號，雖然是一種「個人習慣」，但今後的文章有可能會用到，至少對於有在做分析模擬的人，會有共同的稱呼語言比較好，因此簡單整理如下表：
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