在工程設(shè)計(jì)中，有限元分析（FEA）通過(guò) “離散化求解” 模擬結(jié)構(gòu)多工況響應(yīng)，為產(chǎn)品安全與性能優(yōu)化提供支撐。其中結(jié)構(gòu)力學(xué)類(lèi)分析應(yīng)用最廣，主要涵蓋靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、疲勞、模態(tài)、屈曲、非線(xiàn)性六大核心類(lèi)型，下文解析其原理、價(jià)值與場(chǎng)景。

一、靜力學(xué)分析：靜態(tài)載荷下的基礎(chǔ)響應(yīng)

靜力學(xué)分析是 FEA 基礎(chǔ)，研究結(jié)構(gòu)在靜態(tài)載荷（不隨時(shí)間變化或緩變）下的應(yīng)力、應(yīng)變與位移，假設(shè)無(wú)慣性力影響，用于判斷靜態(tài)強(qiáng)度與剛度。

核心作用與場(chǎng)景

l強(qiáng)度校核：驗(yàn)證結(jié)構(gòu)是否塑性變形或斷裂，如橋梁支座恒載應(yīng)力、機(jī)床主軸切削力應(yīng)力；

l剛度驗(yàn)證：評(píng)估變形是否合規(guī)，如汽車(chē)懸架彈簧壓縮量、手機(jī)中框按壓彎曲；

l載荷傳遞：優(yōu)化受力薄弱區(qū)，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣載荷傳遞。

二、動(dòng)力學(xué)分析：動(dòng)態(tài)載荷下的慣性響應(yīng)

動(dòng)力學(xué)分析聚焦結(jié)構(gòu)在動(dòng)態(tài)載荷（沖擊、振動(dòng)、瞬態(tài)力）下的響應(yīng)，需考慮慣性力與阻尼，求解運(yùn)動(dòng)方程，模擬動(dòng)態(tài)安全性。

核心作用與場(chǎng)景

l沖擊模擬：分析短時(shí)劇烈載荷響應(yīng)，如汽車(chē)碰撞車(chē)身瞬態(tài)應(yīng)力、包裝跌落緩沖；

l振動(dòng)響應(yīng)：評(píng)估周期性振動(dòng)影響，如洗衣機(jī)滾筒振動(dòng)對(duì)機(jī)身的作用、地鐵振動(dòng)傳遞；

l瞬態(tài)力響應(yīng)：模擬突發(fā)載荷歷程，如起重機(jī)制動(dòng)沖擊應(yīng)力、建筑地震瞬態(tài)位移。

三、疲勞分析：循環(huán)載荷下的壽命預(yù)測(cè)

疲勞分析針對(duì)循環(huán)載荷（交變、脈動(dòng)載荷）下的壽命評(píng)估，原理是材料因累積損傷失效（應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度仍可能斷裂），用于判斷長(zhǎng)期壽命。

核心作用與場(chǎng)景

壽命預(yù)測(cè)：模擬反復(fù)受力零件壽命，如發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸周期扭矩壽命、軸承滾珠循環(huán)接觸壽命；

載荷優(yōu)化：識(shí)別疲勞薄弱區(qū)，如風(fēng)電葉片陣風(fēng)損傷、橋梁車(chē)輛通行疲勞；

強(qiáng)度校核：驗(yàn)證設(shè)計(jì)壽命，如飛機(jī)起落架 10 萬(wàn)次起降壽命達(dá)標(biāo)性。

四、模態(tài)分析：結(jié)構(gòu)固有振動(dòng)特性

模態(tài)分析研究結(jié)構(gòu)無(wú)外力時(shí)的固有振動(dòng)特性，求解固有頻率與振型，關(guān)注質(zhì)量與剛度分布，用于避共振、優(yōu)化振動(dòng)。

核心作用與場(chǎng)景

l共振規(guī)避：識(shí)別固有頻率，避與外部激勵(lì)重合，如電機(jī)底座避開(kāi) 50Hz 工作頻率、揚(yáng)聲器振膜避聲音頻率；

l振動(dòng)優(yōu)化：定位敏感區(qū)，如汽車(chē)駕駛室面板易振區(qū)加筋改頻率；

l動(dòng)態(tài)基礎(chǔ)：為動(dòng)力學(xué)分析提供參數(shù)，如固有頻率與振型支撐振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算。

五、屈曲分析：壓載荷下的失穩(wěn)預(yù)警

屈曲分析針對(duì)細(xì)長(zhǎng) / 薄壁結(jié)構(gòu)軸向壓力失穩(wěn)，求解屈曲臨界載荷（突然大變形失效的最小壓力），判斷失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)而非強(qiáng)度失效。

核心作用與場(chǎng)景

l失穩(wěn)判斷：分析細(xì)長(zhǎng)件臨界載荷，如建筑鋼柱豎向壓力、液壓活塞桿推壓失穩(wěn)；

l結(jié)構(gòu)優(yōu)化：避免薄壁失穩(wěn)，如飛機(jī)機(jī)翼蒙皮氣動(dòng)壓力屈曲、易拉罐擠壓失穩(wěn)；

l載荷上限：確定安全壓力，如千斤頂頂桿頂升臨界載荷。

六、非線(xiàn)性分析

前五種分析多基于 “線(xiàn)性假設(shè)”（應(yīng)力 - 應(yīng)變線(xiàn)性、小變形、載荷響應(yīng)正比），非線(xiàn)性分析模擬偏離線(xiàn)性的情況，分三類(lèi)：

核心類(lèi)型與場(chǎng)景

l材料非線(xiàn)性：模擬非線(xiàn)彈性，如鋼板沖壓塑性變形、橡膠密封圈超彈性、混凝土開(kāi)裂；

l幾何非線(xiàn)性：考慮大變形剛度變化，如釣魚(yú)竿彎曲、折疊椅展開(kāi)變形；

l邊界非線(xiàn)性：模擬接觸非線(xiàn)性，如齒輪嚙合接觸應(yīng)力、螺栓預(yù)緊摩擦。

模態(tài)支撐動(dòng)力學(xué)，動(dòng)力學(xué)載荷供疲勞分析，非線(xiàn)性修正線(xiàn)性偏差。它們構(gòu)成產(chǎn)品 “靜態(tài)安全 - 動(dòng)態(tài)可靠 - 長(zhǎng)期壽命” 驗(yàn)證體系，幫助設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、降試錯(cuò)成本，推動(dòng)產(chǎn)品輕量化與高效化。掌握這些分析，是工程人員數(shù)字化創(chuàng)新的基礎(chǔ)。