機械結構有限元分析（FEA）基礎與應用（如 ANSYS, SolidWorks Simulation）(仿真驗證設計)

機械結構有限元分析（FEA）是現代工程設計的 “虛擬實驗室”，通過計算機仿真替代傳統物理測試，預測零件在受力、溫度等工況下的性能。這種方法能在制造前發現結構缺陷，降低研發成本。

FEA 的核心原理是 “化整為零”：將復雜零件分割成無數微小單元（如三角形、四面體），通過數學公式計算每個單元的受力狀態，再整合得出整體結果。比如分析起重機吊臂時，軟件會把吊臂拆分成數千個單元，模擬起吊重物時的形變與應力分布，找出可能斷裂的薄弱點。

主流軟件各有側重。ANSYS 適合高精度工業級分析，能模擬極端工況（如高溫高壓下的管道強度），在航空航天領域應用廣泛 —— 某飛機起落架設計中，用 ANSYS 仿真驗證了不同材料在著陸沖擊下的表現，比物理測試節省 60% 成本。SolidWorks Simulation 則更易上手，與三維建模無縫銜接，適合中小型企業。設計師畫好齒輪模型后，可直接調用仿真模塊，測試齒面接觸應力，避免因強度不足導致斷裂。

應用流程分三步：先建立簡化模型（忽略無關細節，如小孔、倒角）；再設置邊界條件（固定軸承位置，施加扭矩或壓力）；后運行分析并解讀結果。紅色區域代表應力過高，需加厚材料或優化結構，綠色區域則說明強度冗余，可輕量化設計。某汽車連桿設計中，通過 FEA 將重量減輕 15%，同時保證強度達標。

FEA 讓機械設計從 “經驗主義” 走向 “數據驅動”，是提升產品可靠性的關鍵技術。