每个CAE工程师心中一定有一个终极疑问——仿真结果到底准不准？

相传业界有一个段子：做仿真，除了自己信，别人都不信；做实验，除了自己不信，别人都信。

之所以不相信仿真结果，一是因为早期没有行业规范，仿真分析工程师水平参差不齐，导致同样的产品，不同工程师做出来的结果千差万别；另外早些年计算机硬件性能较差，仿真分析模型经过极大程度的简化，很难真实地反映复杂模型的受力情况。

当前仿真分析比较成熟的行业，比如汽车行业，经过十多年的经验积累，形成了完整的仿真分析规范(比如黄力平编著的汽车结构的耐久性理论与实践一书中详细写了汽车强度耐久仿真规范)，仿真工程师水平也有了质的提升，再加上计算机硬件性能提升显著，现在仿真分析已经是产品开发过程中必不可少的环节，也没有人会怀疑仿真分析的准确性和必要性。部分工况甚至完全依赖仿真进行判断，不再进行实验验证。

仿真结果准不准，其实可以拆解为两个更具体的问题：仿真模型准不准？仿真结果准不准？

1、仿真模型准不准？ 如果建模不够准确，不可能得到准确的仿真结果。那么应该如何检查模型的准确性呢？

1.1 检查模型基本参数模型尺寸、材料、载荷等参数是否使用统一的单位制？ 结构力学仿真中常使用MPA单位制，即下图所示国际单位制中的mm-s-MPa-ton-N作为基本单位，模型尺寸以mm为单位，材料密度为 ，集中力单位为N，压强单位为MPa；对应的计算结果应力单位为MPa，位移单位为mm，力单位为N，能量单位为mJ。

国际单位制 如果整个模型各项参数没有统一单位制，计算结果可能和实际结果差好几个数量级。

材料本构是否准确？ 线性小变形分析中，金属、橡胶、塑料等工程上常用的材料都可以使用线弹性材料本构进行模拟，比如粘胶只起传力作用，并不关注粘胶本身受力时，可使用简化的线弹性材料本构进行模拟；

若模型涉及大变形，比如涉及粘胶撕裂，需要关注粘胶自身的应力分布，就需要使用粘弹性材料本构进行模拟。

在大变形分析中，若使用线弹性材料本构模拟粘胶，得到的应力结果可能远超粘胶材料本身的强度极限；实际上粘胶可能已经发生破坏，但仿真模型中线弹性材料不涉及破坏，粘胶刚度不变，可以持续承载，相当于改变了整个模型各零件的刚度比值，粘胶承受了远超实际的载荷，仿真结果无法反映真实受力情况，自然难以保证仿真结果的准确性。

使用新的材料参数时，特别是橡胶等需要进行数据拟合的材料，最好先模拟材料参数测试实验，若仿真分析得到的拉力-位移曲线，应力-应变曲线可以很好地匹配实验数据，则可以认为材料参数是准确的。

连接关系是否准确？ 连接关系不同的简化方法将影响模型受力情况以及传力路径，从而影响模型结果准确性。

同样的接触关系，简化为绑定接触相比滑动接触而言会增加模型刚度，导致减小变形量；

螺栓连接可以简化为刚性的RBE2单元，也可以简化为两个柔性的RBE3单元+梁单元，还可以简化为不带螺纹的实体螺栓，不同的简化方式地计算结果有多大影响？

不同产品中的连接关系，需要进行相应的灵敏度测试，来确定不同连接关系的简化方式对仿真结果有多大的影响，从而选择合适的连接关系简化方法。

同样地，不同的边界条件简化方法也会对结果造成影响，因此也需要对不同的边界条件简化方法进行灵敏度测试，以确定合适的边界条件等效方法。

1.2 实验法校核模型位移对标 实验验证，最简单的方法是测量多个重要点的位移，若实验和仿真模型能对上，即表示模型在特定方向的刚度与实际产品是匹配的。

模态对标 位移对标方法只能确定特定方向刚度，无法对整个模型进行全局性的验证；可测试模型的前面几阶模态频率和振型，若频率和振型都对准确对标，则基本可以确认仿真模型整体刚度和实际产品匹配。

2、仿真结果准不准？2.1 变形是否正常？ 拿到仿真结果，第一步是看模型的变形动画是否与预期的变形模式相吻合。有没有网格畸变等异常变形？位移云图连续吗？如果位移变形符合预期，那就进入下一步。

2.2 应力结果是否正确？ 如果应力云图中，红色的高应力区和蓝色的低应力区没有任何过渡，或只有一两层网格过渡，则说明网格太粗，没有捕捉到准确的应力梯度，大概率高应力被平均掉了；左下图中红色网格只有一个，离红色网格最近的蓝色网格只隔一层，说明网格太粗，没能捕捉到准确的应力梯度；

有限元后处理软件默认显示的是单元应力，云图不连续；使用平均算法，将单元应力平均到节点上，则可以得到连续的应力云图；若平均前后，最大应力差异明显，也说明网格不够密，没能捕捉到准确的最大应力，因为网格够密的情况下，平均和不平均得到的最大应力应该几乎没有区别；左上图没有进行应力平均，最大应力为131MPa，右上图做了应力平均，最大应力为114MPa，远小于未平均前的131MPa，说明网格不够密，没能捕捉到准确的应力梯度；

如果模型中存在大片的红色区域，每个方向红色网格层数都超过3层，则说明网格已经足够密，已经捕捉到精确的应力结果，如下图所示。

如果模型中只有一个或几个节点上的应力超过屈服点，周围的应力远小于屈服强度，一般认为可以该位置存在应力集中，不会认为整个模型应力超标；若整个模型中出现了大片区域应力超过或接近屈服强度，那可以直接判断模型已经进入屈服，发生了破坏。

2.3 显式分析如何判断模型和结果准确性？ 显式分析中，除了前面提到的检验方法，还有一些特定的检查模型准确性方法。

最基本的方法是能量守恒，比如汽车以某个初速度碰撞壁障，手机从一定高度跌向地面，其初速度确定后，系统总能量是确定的；碰撞和跌落过程中，部分动能将转化为内能，动能减少，内能增加；

显式分析能量曲线 显式动力学分析中支持质量缩放，通过增加部分节点的质量来的增加时间步长，从而提高计算效率；增加质量会影响动能，一般认为质量增量不超过整个模型的5%则不影响总体仿真精度，若质量增加过多，则认为仿真结果不可靠；另外，数值能量应该尽可能小，如沙漏能不能超过总能量的10%，接触能不超过总能量的5%，时间步长不能突变。