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有限元素分析(Finite Element Analysis, FEA)是一種數值方法,實務上在電腦裡面執行:把一個複雜的物體切成成千上萬個形狀簡單的小塊(元素),對每一塊寫出物理方程,再合併成一組聯立方程式求解。工程師用它預測零件在受力、受熱或振動時的應力、變形與溫度,在做出實體樣品前就找到弱點。

這篇讓我們來直接討論同時牽涉三種非線性來源的例子:金屬成形製程,包括鍛造、鐓粗、延伸、深沖作為系列的總結,會用這個案例把前五篇串起來,再往下一步問一個問題:既然勁度矩陣 K 會因為這些因素受到影響,那麼計算時到底是怎麼把答案解出來呢?

邊界條件的改變,往往不是平滑連續的,而是突然的跳變(例如:接觸從分離瞬間變成閉合、彈簧勁度隨變形量不連續切換)。這篇要談的邊界非線性有三種類型:接觸、非線性支承、非線性載重。

前兩篇談的材料非線性(彈塑性、潛變、黏彈性、黏塑性),K 的非線性都是透過 D 矩陣的變化而來的;這篇要談的幾何非線性,是完全不同的。結構的幾何形狀本身,就足以讓 K 隨著變形程度不斷改變,跟材料的應力應變關係無關。

潛變、應力鬆弛、黏彈性、黏塑性這四種材料行為的共通點,是它們的 D 矩陣(應力應變關係矩陣)不只跟「當下的應力狀態」有關,還跟「時間」綁在一起。 上一篇談的彈塑性,D 只在應力超過降伏點之後才開始變化,而且只看「當下」的應力大小;這篇要談的四種行為,D 的變化還牽涉到「時間經過了多久」

CAE 工程師最常遇到的挑戰,就是「非線性」分析,這也是在有限元素分析進階課程才深究的課題。我們從『線性只是非線性的特例』這個觀點切入,用白話拆解勁度矩陣 K 為什麼會變動,帶你認識材料、幾何、邊界三大非線性來源。