譯自：Monoist
結構模擬分析入門
栗崎彰
（１）基本修養是結構模擬分析的入場券～材料力學與有限元素法的重要性
「結構模擬分析」是讓設計變得更好的重要工具之一，所以很有必要踏出實踐活用結構模擬分析的第一步。但是在開始之前，還是重新論述一下為了理解結構模擬分析上不可或缺的基本修養（材料力學或有限元素法）之重要性；同時也要解說如何正確學會結構模擬分析的思考方式。
雖然是老生常談，但材料力學與有限元素法就是使用結構模擬分析這項工具的基本修養。而且這些基本修養也是確保能正確執行結構模擬分析、正確評價模擬結果的入場券。
這個連載也是假設讀者有材料力學與有限元素法的基本修養為前提寫作的。所以在看本文之前，有排山倒海的資料／教材要念；特別是對於材料力學或有限元素法基本概念很模糊的人，最好去複習一下。特別是如果不清楚以下三個問題：
楊氏係數是甚麼？
降伏應力是甚麼？
馮氏應力（von Mises Stress）是甚麼？
那就務必找相關資料來看。
這些資料的量相當多，也很花時間去研讀；但這些對於結構模擬分析而言，都是必要的知識。
先從結構模擬分析開始
因為今日的模擬技術持續進步的關係，各式各樣的物理現象都能夠靠模擬分析出來。好比說應力領域、熱流領域、電磁領域、音場．．．．等等。
其實筆者以前學生時代，材料力學也是機會被當掉要重修的程度；因為很不擅長推導算式，只能想辦法將教授的話用簡圖的形式加深印象來理解材料力學的內容。然而，筆者的第一份工作竟然剛好就是數值模擬計算的專門公司。而該公司剛好有位某大學的名譽教授擔任技術顧問。記得這位名譽教授已經到了相當筆者祖父的年紀了。而這位教授在全盛時間所寫作關於飛機結構設計的書，據說是名作中的名作，現在在二手市場的交易價格甚至是定價的十倍以上，在神田的舊書店中還是以收藏在玻璃盒中的方式展示，可見此書之珍貴。
而這位教授，當時跟筆者說了以下的話：
「雖然有各式各樣的場域模擬分析，但是其中結構模擬分析卻是其中特別重要的一項。唯有結構成立了，才開始有流體流動、產生電磁場、也才能發出聲響。所以凡事都要先從構造是否成立與否開始檢討。」
筆者也正是因為他的這番話，才決心先學好結構模擬分析。
其實結構模擬分析也算是一門深奧的學問。現在筆者也能夠模擬分析很多複雜的現象。而複雜度越是增加，「計算力學」這種數值計算中特有的修養就越加必要。
在本連載中，並不會拿那些高度複雜的結構模擬問題來做為討論對象。基本上就是給打算開始學習結構模擬分析的人看的內容。而且重點會放在將結構模擬作為讓設計更好的工具、成為設計的良好基礎之上。
所謂的「力學」
在材料力學或結構力學這些名詞上都可以看到「力學」這兩個字。因此以下先簡單解釋一下何謂「力學」。
雖然很粗略，但如果用一句話來解釋力學的話，就是「施力於物體上，物體就會運動」的意思。
再來的話，就要把重點放在「物體」上了。通常會用好幾種型態來描述物體。
» 用「點」來表示物體
通常可以用「點」來描述物體。既然是點，就不會有面積與體積。當然，就不會有「大小」。只不過，還是有質量。也是因為這是一種有質量的點，也可以稱為「質點」。
» 用「點」來表示物體
物體也能夠用「剛體」來表示。「剛體」如名所述，就是無限硬的東西。就算受力也不會變形。剛體有其形狀，也有質量與大小。既然有大小，就會有重心位置。
» 用「連續體」來表示物體
再來就是以「連續體」來描述物體。所謂的連續體，就是在空間中質量是連續不中斷分佈的物體。不管是石塊、水或空氣都是連續體。石塊是固體、水是液體、空氣是氣體，雖然型態有差異，但都是連續體；而水和空氣可以歸類成流體。
零件單體是連續體
如果在以上各種物體型態上施力，會產生怎樣的變化？（圖１）
圖１ 力學上的「物體」在有限元素上的對應
如上圖，在質點上施力，會改變質點的位置，而讓點移動。另一方面，施力於剛體上，大部分的場合是以剛體的重心點為中心來改變姿勢。至於在連續體上施力的話，就會發生形狀變化，或者是說變形。
說明連續體受力發生變形的理論，就是材料力學。看到此圖，應該有讀者會發現，在有限元素法中，有可以直接將質點、剛體、連續體表現出來的元素。特別是質量元素與剛體元素，在有限元素法模型中，可以做為想模擬分析物體以外的簡化物體使用。（圖二）
圖２ 利用質量元素與剛體元素來簡化模型
至於要求解材料力學的問題，通常可以使用直接手算或是有限元素法兩種方法。
到這裡，大家是不是會突然注意到一件事情？
沒錯，基本上有限元素法僅適用於連續體。說的更簡單一點，就是元件單體。
其實當然有很多分析模擬是針對組合件做的，而且其需求也非常多。不過，組合件本身並不是連續體。而是一種元件單體的集合。所以真的要做模擬分析，就必須在元件與元件的接合面上加入一些條件才能模擬運算。在接合面上是從頭開始就緊緊黏牢在一起？還是通常是互相分離的、但在變形時才會接觸？接觸時會不會滑動？會滑動的話，有沒有摩擦？有摩擦的話，其摩擦係數又是多少？．．．等等，會有很多「接合條件」，這些都是組合件模擬分析的關鍵。
不過在開始組合件的分析模擬之前，還是先把元件的單體結構模擬分析的想法與訣竅學會再說吧！
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