（３） 結構模擬分析也是有很多種．．．
試著思考看看卡勾的變形
單純說一句「結構模擬分析」，其實範圍也非常廣泛。
我們就實際舉一個元件為例來考慮看看。這裡就假設有個用來掛包包或外套的卡勾。這卡勾當然就是會受力（圖１）。
圖１ 卡勾的變形（變形量經過放大處理，並非原始比例）
另外這個卡勾是「完全」固定在牆壁上。
這裡要強調「完全」，是有其理由的。在現實的世界中，並沒有「完全」固定這種事情。卡勾被固定的牆壁的素材、卡勾固定的方法，其實都會大大影響卡勾的行為。當包包或外套掛在卡勾上時，卡勾的上端就可能出現和牆壁之間的縫隙，卡勾的下端也可能壓入牆壁之中。
元件本身一定會用甚麼方法固定起來，不可能會有飄浮在空中的元件。將元件固定起來這件事，在結構模擬分析之中就是所謂的「拘束（限制）條件」。這個拘束條件對結構模擬分析的結果會產生很大的影響。細節就留待後續一一說明。
這裡請先回來看看這個卡勾的問題。掛在卡勾上的包包或外套，就可以說是一種「負載」（這裡不說成是「加重」，請不要搞錯了）。沒有施加負載的卡勾自然不會變形。但地球本身有重力，所以就算是沒有負載的狀況下，其實卡勾還是會很微小的變形，就是會受到「自重」的影響。「自重」就是「自己的重量」。
相對於卡勾的強度而言，這個自重算是非常輕，甚至可以說自重對於卡勾的變形完全沒有影響。對於有相當重量的物品、或是受到很大加速度的元件或構造物品來說，自重的影響可能就不能無視，因此還是要請大家隨時要在心中意識到自重的存在。
不過在這個卡勾的例子中，還是先不用考慮自重的影響。
卡勾的變形與負載的關係
根據負載的大小，卡勾的變形量也會隨之變化。不僅是變形量會變化，也會影響到去除負載之後，卡勾的狀態也可能會改變。
卡勾沒有受到負載的狀況
當卡勾沒有受到負載時，當然不會有任何變形。
卡勾承受負載，之後再將負載去除的狀況
■ 負載非常小的狀況
卡勾受到夠小的負載時會發生變形。如果卡勾的素材是像鐵一樣的金屬，卡勾的變形量可能會到肉眼看不出來。但卡勾的素材如果是類似塑膠的話，也許肉眼就能看的出來稍稍有些變形。
如果把這個施加於卡勾上夠小的負載去除，卡勾就會變回原本的形狀。
■ 負載比較大的狀況
卡勾受到很大的負載時也會變形，這和負載比較小的狀況是一樣的，但是變形的程度可就不相同了。負載比較大的時候，變形當然會跟著變大。施加的負載就和卡勾的變形量成正比。
對於卡勾而言，這是個很大的分歧點。
如果施加太大的負載，卡勾就有可能會被破壞。如果是金屬製的卡勾，遇到大的負載，就會發生很大的變形，就算去除負載也回不到原始的形狀。雖然還是稍微回去一點原來的樣子，但無法完全回到原來的狀態。使用者看到的話，就會覺得「卡勾彎掉了」。但如果是塑膠的卡勾的話，可能就折斷了。
相對地，也還是有掛上很大負載再去除之後，能夠完全恢復原始狀態的卡勾。這時候使用者看到就會有「這卡勾很強壯啊」的感覺。
施加負載，再去除負載（可稱之為「去負載」），變形會完全回到原始狀態的範圍，稱為「線性範圍」。當超過負載與變形的線性比率之後的行為，則稱為「非線性」。
線性與非線性的區別可以參考相關材料力學的書籍或網站，可以看到很多豐富且一目了然的資料。
結構模擬分析的種類
說到結構模擬分析的種類，可以參照圖２，紅線連結就代表其各式各樣的組合。
圖２ 結構模擬分析的種類
去除負載之後的元件，如果無法回到原始形狀，就會被稱為是非線性。非線性也有很多種類。不過本文的目的是引導大家進入結構模擬分析的第一步，所以不會針對非線性模擬分析進行較詳細的說明。非線性的模擬分析除了要有材料力學與有限元素法的修養之外，還必須要有計算力學這樣的數值分析的基礎。所以非線性模擬分析不能算是「結構模擬分析的第一步」，要算是「次一步」了。
不過即便如此，還是有很多「一定得用非線性模擬來分析」才行的問題，所以以下只簡單介紹有哪些非線性模擬分析的種類就好。
塑性模擬分析
負載和變形的比例關係不成立之後的行為就是「塑性」。也可以說是「材料非線性」。好比說當使用了類似橡膠材料這種行為和金屬大不相同的材料時，就必須要考慮材料的非線性。
這時候也需要輸入材料的應力應變曲線。
大變形模擬分析
這也可以稱為「幾何非線性」。當施加負載與變形不成比例關係時，就必須使用「大變形模擬分析」。像窗簾軌道這種很長的東西，材料本身的應變雖然不大，但肉眼就能看的出來，就算是大變形。
除了很長的物品以外，還有其他需要注意的狀況。比如說板材的分析中，如果根據「線性靜態模擬」算出的結果，出現最大變形量已經超過板厚的狀況，就應該改用大變形模擬重新計算。
接觸模擬分析
成為組合件的產品，是以零件互相接觸的狀態所構成的。包含「接觸」行為的模擬，也是一種非線性模擬分析。只要出現接觸的狀態，就必須要替元件與元件之間的接觸面設定各種的拘束條件。初始狀態是否有接觸、接觸面是否有滑動、滑動時是否有摩擦、摩擦時摩擦係數又是多大．．．類似像這樣的條件，全部都必須在接觸面上設定好。
再來，也把動態模擬分析也用很簡單的形式來介紹過一遍。
自然頻率模擬分析
就是求出結構物的「自然頻率」的模擬。根據調查，結構物會壞掉有八成的問題都是來自於疲勞現象。而出現很大的振動時，就會引起疲勞的問題。其對策就是得要知道結構物或元件的自然頻率，這時候自然頻率模擬分析對於設計上就很有幫助，後續在本連載中也會說明。
頻率響應模擬分析
正常有規律旋轉的馬達或引擎，就會製造出某種程度下規律正常的振動。而這個模擬分析就是為了知道結構物面對這樣的振動會有怎樣的反應。由規律正常的振動造成的持續搖晃，會讓結構物的振動狀態也很穩定。這種狀態可稱為「定常狀態」。
時域響應模擬分析
由地震或強風造成的振動，則和規律正常的馬達旋轉振動完全不一樣。為了知道這種隨著時間而一直變化的振動對於結構物會有怎樣的影響，就需要使用這個「時域響應模擬分析」。只要是建築業界就知道，根據建築基準法的規定，高度超過６０公尺的超高層建築物在進行結構計算時，使用時域響應模擬分析是必要的義務。
設計上需要的模擬分析
對於結構模擬分析的第一步來說，只要先認識「線性靜態模擬分析」與「自然頻率模擬分析」就夠了。
實際上，也如同本文第一篇所言，給設計者使用的ＣＡＥ，有時候會遇到單純靠線性靜態模擬或自然頻率模擬是無法驗證的狀況。
不過，如果沒能理解與學會線性靜態或自然頻率模擬分析的內容，也無法進入非線性模擬等更高階的模擬分析領域。
在不考慮安全係數的狀況下，在元件上出現的馮氏應力只要不超過材料的降伏應力，其應力與應變的關係就是線性。換句話說，只要去除負載，就會從變形狀態完全回到原始狀態；不會彎折變形、也不會壞掉。而馮氏應力，就可以在線性靜態模擬分析中求出。
此外，幾乎所有的機械／機構都會出現振動，因此只要知道自然頻率，就能將結構改變成不會引起共振，讓自然頻率遠離「操作區域」。
設計時如果能利用線性靜態與自然頻率模擬這兩個工具，就能好好驗證檢討結構或元件的特性。
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