• 會心一笑，心領神會。這是中堅骨干，可放心。
• 不置可否，拔腿就走。這是急性子，盯緊些防止捅婁子。
• 認真聽從，亦步亦趨。這是工兵，態度端正能力有限。
• 疑惑不解，刨根問底。這是新兵蛋子，耐心慢慢培養。
• 心不在焉，頗不耐煩。這是油條混子，早點送走。 

除了最后一個，別的表現我全都經歷過。 

第一次從領導那里聽到這句話，我還是個新兵蛋子，腦子里的第一反應是：“為啥，FEA它不香嗎？”

香不香，實踐了才知道！

FEA方法最先由M.J.Turner和R.W.Clough在研究飛機機翼結構時提出，研究的是振動和平面應力問題，后來逐步發展應用于粱、板、殼等結構的彎曲，繼而推廣應用到其他領域。1956年發表在Journal of Aeronautical Sciences上的論文，”Stiffness and Deflection Analysis of Complex Structures”，被認為是FEA方法的開端；而創立Finite Element Method（FEM）這個名字的，是論文的第二作者R.W.Clough，其時任教于Berkley土木工程系。


Ray W.Clough博士首次提出有限元這一術語

Clough教授在結構工程領域聲名遠播，榮譽等身，大作DYNAMIC OF STRUCTURES是結構工程師的寶典手冊，值得擁有。

雖然FEA的誕生早在20世紀50年代，但真正大規模應用于工程界，要跨越千禧年，等到50年之后的21世紀。

這個時間節點發生了什么？

1999年時候我剛開始讀研究生，結構力學實驗室里有一個機房，放了6臺600M的工作站，配備21寸顯示器，專門運行MSC.NSATRAN程序，造價不菲。那個時候會FEA的絕對是焦點所在，每當有師兄師姐上工作站操刀NASTRAN，我等小菜鳥們就扒著門往里面看，既崇敬又羨慕，盼望著自己也能早點學習這項黑科技。

世紀之交，變化很快。網絡時代來臨，信息快速流通，某些不可說的因素，促使FEA的應用開始迅速擴展。還有一個不大被注意但至關重要的緣由：計算機性能的飛躍。

所有的FEA結構分析，完成了前處理，提交求解的時候，計算機最終做的都是同樣一件事：求解多元一次線性方程組。

手算一下試試？n=2，初中生的工作；n=3，不難；n=10，好辛苦；n=100, 1000, 10^5, ……。得了吧，別想了。

換現在的計算機，這都不叫事，一秒運算數十億次，解一個n=10^5的方程組就一眨眼的功夫。

但計算機的性能并非一直如此強悍，如果說現在的計算機運行速度快似火箭，那50年代的計算機就慢如蝸牛。FEA方法雖然問世了，但是計算機能力跟不上，工程師沒有趁手的工具去求解高維矩陣。早期在工程實踐中應用FEA，唯有簡化一條路。

結構工程師傷透了腦筋。為了匹配計算機的運算和存貯能力，要嚴格控制剛度陣的維度，縮減節點數量。首先要對分析對象進行力學抽象，剔除不必要的結構，剝離出最簡的力學模型；然后做剛度凝聚，3維結構化2維，2維結構化1維，縮減剛度陣的規模；必要的時候，還要把整體結構拆解，分塊分段的分析。一切的一切，都是為了讓計算機的小肚子容得下方程組的體量。

可以算很重要，算正確更重要。計算機只負責解方程，剛度陣如何得到，節點如何劃分，載荷如何模擬，邊界如何設置，計算機一律不關心。所以結構工程師在準備做FEA時，無不戰戰兢兢如履薄冰，對力學模型和輸入文件進行反復的紙面推演，力求一次計算完成，避免失誤帶來的推倒重來。要知道90年代前，計算機是非常寶貴的公共資源，工程計算需要排隊預約。嚴格的實戰洗禮，造就了工程師扎實的理論基礎和實踐經驗，而在此過程中，工程師自動解答了3個重要問題：

• 我要做什么？
• 我要用FEA做什么？
• 我如何使用FEA得到我想要的？

進入到二十一世紀，世道變了。在神奇的摩爾定律的支配下，個人計算機的性能終于提升到了可以處理高維矩陣方程組的水平，加上人機界面GUI日趨友好，FEA學習使用門檻大幅降低。結構工程師們喜大普奔，削尖腦袋簡化模型的日子一去不復返了，學習FEA不難了，黑科技秒變工兵鏟。短短幾年，FEA褪去了高貴的光環，變成了結構工程師的日常標配工具。很多人輕松得意的用著FEA，嘴里說“真香”，心里想“不過如此”。

高看FEA，是因為你不懂；低看FEA，還是因為你不懂。

FEA本質上只是一種工具而已。沒有FEA的年代，工程師已經做出了很多精彩的項目，埃菲爾鐵塔1889年建成，帝國大廈1931年竣工，金門大橋1937年通車。這些經典結構依然在正常工作。 

FEA不發達的年代，也有很多有說服力的項目。Bullwinkle, 世界上最深的導管架平臺，水深412m，完成于1988年。


圖 1 Bullwinkle平臺

自Timoshenko后，結構工程的基石再無革命性的變化，結構工程師學習的理論知識，和幾十年前相比沒有根本性的不同。FEA是CAE工具里面的一類，最重要的貢獻是將理論可行變成了實踐可行，大大擴展結構工程的實用范圍。但無論如何，它也只是一項輔助工具，CAE的“A”（Aided）和FEA里的“F”（Finite），是永遠無法抹去的標簽，也是工程師需要時刻銘記在心的特征屬性。


圖 2 簡支梁

圖2所示的簡支歐拉-伯努利梁，給定輸入條件，利用理論公式，100個結構工程師得到同樣的1個解；但如果用FEA，100個工程師可能得到100個解。

這就很尷尬了，該用哪一個呢？最簡單的簡支梁都這樣，復雜結構怎么辦？

于是有了很多騷操作。

曾經結識了一位在某水電設計研究院工作的兄弟，土木出身，交談甚歡。我問他們有什么結構軟件，兄弟說我們什么都有，NASTRAN、ANSYS、FEMAP、SESAM、ABAQUS……主流的全整上；我很是羨慕，連連稱善，國字號闊氣不差錢。我又問，你們主要用哪個呢，兄弟說我們都用，一視同仁不搞偏袒；我更羨慕了，人資充足，工作做得細致。最后問了一句，結果咋評判啊，兄弟說很簡單，選個應力最大的。

我嘴里的咖啡噴出去一半。

手忙腳亂的清理完，定了定神，我回道：“大兄弟，我覺得你們的工作做得還不到位，分析的Case不夠。不同的網格尺度得對比吧，1倍板厚2倍板厚3倍板厚直到10倍板厚，起碼10個規格；梁單元精度有限，改成板殼單元再做，3D實體單元也要分析，至少3類單元形式；剪切對變形的貢獻不能忘了，又是2種；邊界因素也要考慮，介于簡支和剛固之間，至少考慮5種約束條件吧；……暫時先這么多，你等一下啊，我拿計算器幫你算算要增加多少。”

兄弟打一激靈，珍珠隨著奶茶一起滑到了胃里，愣了半晌喃喃道：“是咧，咋就沒想到這么多”。

FEA的大規模應用主要是借上了計算機發展的東風，而不是自身理論體系的突破與進步。FEA誕生在結構工程領域是一種天意，因為結構工程的理論基礎體系成熟，容易傳承和掌握，FEA的結果可以通過工程實踐進行驗證。有些工程領域，如水動力學Hydrodynamics，很多基礎的理論問題尚未得到解決，軟件只能基于現有的框架開發，FEA的使用非常依賴工程師的理論基礎、工程經驗和個人理解。

所有的FEA都只是工具，工程師需要基于FEA結果做出自己的判斷，麻煩的是，結果不只一個。


圖 3 ANSYS板架分析結果

用ANSYS APDL分析一個板架，Von Mises應力分布見圖 3，結果如下：

• Nodal Solu + Top:           320MPa
• Nodal Solu + Middle:            207MPa
• Elem Solu + Top:             331MPa
• Elem Solu + Middle:        276MPa

兩捆干草餓死驢子，現在送來了4捆，驢子糾結得要活過來了。

后面還有一大車干草。


圖 4 輸出結果列表

后處理提供了至少有10種應力。再考慮“節點解/單元解/單元輸出”、“表面解/中面解”、“總體坐標/單元坐標”等不同選項，FEA可提供的結果足夠擺一大桌滿漢全席。

工程項目的執行過程中，作為提供解決方案的乙方，面臨兩個主要的任務：把工作做好；獲得業主的肯定。

做好工作是工程師的職責所在，如何取得業主的信任？拿出專業的表現，完成工程方案提交業主，當業主提出疑問的時候，從專業的角度，給出專業的結論，提供專業的解決方案，打消業主的疑慮。信任來自于日常交流的點滴積累，而不是憑空飛來的自然結果。FEA結構分析的結果事關安全，是工程項目的第一要務，當業主問到FEA應力結果相關問題的時候，作為結構工程師的你，該如何回答，讓業主放心呢？

所以在開始FEA之前，請對著鏡子問一下自己：“準備好了嗎“？

但是最初流出來的視頻讓吃瓜群眾有些發懵：

沒有看到任何前奏，吊臂就開始了彎曲，如同面條一般折斷，無數零件掉落。只吃到了后面半塊瓜，群眾們不過癮，等著前面半塊上市。

很快，瓜來了：


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https://v.qq.com/x/page/a09653kv1n5.html

視頻質量雖然一般，但事件過程基本完整。起吊過程中，吊鉤部分突然破壞，吊臂回彈，船體傾斜，吊臂撞擊到后支架整體折斷。

事故后的第3天，5月5號，吊機供應商Liebherr發布了關于此次事件的官方申明：




內容比DEME的詳細很多。吊機型號為HLC 295000，事故造成10人受輕傷，2人入院治療。吊機當時正在做極限載荷測試，計劃測試載荷5500噸，加載到2600噸的時候發生了事故。預期損失數千萬歐元，但事態可控。

比較玩味的是中間的一段：

At this stage in the investigations, the responsible authorities and experts unanimously agree① that a broken crane hook was the cause of the accident. The exact reasons as to why the hook did not withstand the load are unclear at this stage of investigations. The design and manufacture of the crane hook was purchased from an external supplier②. A design or production error of the Liebherr crane can therefore be excluded③.

首先是言之鑿鑿（unanimously agree）的敲定事故的直接誘因：吊鉤斷了，但原因不明，需要進一步調查；不過吊鉤的供應商又不點明（an external supplier）；最后急不可耐的肯定自己的技術沒問題（A design or production error … be excluded）。

甩鍋見得多了，但裹了棉花再甩，這操作有點意思，卻是為何？

時隔一天，接鍋的露面了，吊鉤總成供應商Ropeblock發布了官方申明：

實錘證據擺在那里，Ropeblock根本不敢有逃脫的念頭，老老實實認栽。姿態放低，態度誠懇，不過自我辯護一下還是要的：

Ropeblock provided the design of the crane’s lifting blocks, including the crane hook. Manufacture of said crane hook was then purchased from a certified supplier who is familiar with parts of similar and larger sizes. Prior to manufacture the design has been verified by the authorized Notified Body.

設計是我干的，制造是找的業內有經驗的供應商做的，檢驗驗證什么的都做過。

鍋我認了，可我的確不是故意的。

危機面前，滿滿的求生欲。

至此整個事件基本明了。DEME的船Orion 1安裝了Liebherr提供的HLC 295000型吊機，極限載荷能力5500噸，進行載荷測試的時候，鉤載達到2600噸時發生吊鉤破壞，吊臂回彈，船體左傾，造成吊臂越過限位角反向折斷。吊鉤總成由Ropeblock提供，吊鉤制造商未說明。

直接誘因是吊鉤破壞，視頻作證，這是沒跑的。焦點在于，吊機供應商Liebherr有多大責任？

Liebherr的責任絕對不會小，5月5號發布的官方申明本身就證明了這一點。畢竟我們都懂，心里發虛的時候，說話發聲往往比較快。

Liebherr面對的主要問題有兩個：

a. 吊鉤總成Ropeblock的連帶責任；

b.HLC 29500的設計到底有無問題。

問題a取決于吊鉤是OFE還是BFE。OFE是Owner Furnished Equipment的簡寫，指船東提供的設備；BFE是Builder Furnished Equipment的簡寫，指建造方提供的設備。BFE也要得到船東的認可批準。所有的設備到貨后，由建造方負責總裝集成。

回到Orion 1這條船，DEME是甲方船東，啟東中遠船務是船體建造商；吊機作為一個重要的獨立模塊，推測是一個獨立項目，由DEME向Liebherr采購。Ropeblock提供的吊鉤，是DEME采購的OFE，還是Liebherr采購的BFE，目前尚不明確。

這個區別對Liebherr來說差別大了去了。如果是OFE，關禁閉1年；如果是BFE，關禁閉至少5年。權利和責任是對等的，誰做決定誰負責，這是工程界的游戲規則。從Liebherr的申明不提吊鉤的供應商來看，吊鉤很可能是OFE，Liebherr擔心甩鍋用力太猛砸到業主頭上，所以選擇不點Ropeblock的名。

吊鉤雖然是直接誘因，但不是Liebherr的直接產品，即便是BFE，最多落得個把關不嚴的名聲，夾著尾巴憋幾年，風頭過了東山再起。問題b可是生死攸關的大事，如果HLC 295000的設計被證明有缺陷，Liebherr幾乎可以斷了在重型Offshore Crane市場搶Huisman生意的念頭，畢竟Huisman的2個萬噸吊機已經裝在Heerema的Sleipnir上干活了，客戶憑什么買你砸了牌子的5000噸方案？

所以Liebherr干脆果斷的一口咬定自己的設計制造沒問題，HLC 295000是值得信賴的好產品，但這說法可信度多少？

最終結果出來之前不好亂下結論，但視頻提供了不少信息。Liebherr的運氣不太好，不過HLC 29500的清白也存疑。

剛開始的畫面看的很清楚，Orion 1左舷靠泊碼頭，吊機正在起吊右舷外側的一條駁船。注意到吊臂的仰角非常高，目測超過80°。

2”時，吊鉤破斷，隨后船體開始迅速向左舷傾斜。

8”，吊臂與水平面呈90°角，船體繼續左傾。尤其值得注意的是，吊臂自身從此時開始明顯的向右轉動。

11”，船體受碼頭限制，左傾停止，吊臂繼續轉動。

15”，吊臂撞上后支架，不再轉動。

后面的故事，就是我們在最開始那段視頻所看到的。

俗話說行船走馬三分險，海上作業從來沒有絕對安全一說，成熟的海洋工程公司，沒有一個不是事前把工程項目解剖了一遍又一遍，沙盤推演做了一輪又一輪。大家心里都很明白，海上要么不出事，出了就是大事，輕則賠款，重則破產。

現在的工程軟件如此發達，借助各種CAE工具，工程師可以充分的在計算機上對產品的設計和制造進行分析驗證，大大減小出錯的概率。Liebherr作為業界知名的供應商，技術力量經受過市場和工程實踐的洗禮，對CAE的理解和掌握應該值得信賴，想必這也是他們肯定自己的設計和制造無問題的底氣。

果真如此？不一定。

海上起吊屬于高風險作業，對設備的可靠性和冗余性要求極高，即便發生局部失效，也要求系統具備足夠的安全儲備，不發生整體崩塌。吊鉤破斷雖然屬于小概率事件，但后果極其嚴重，設計吊機時必須考慮吊鉤突然卸載后的吊臂回彈，所以在吊臂后面加限位裝置。

仔細觀察第二段視頻，吊鉤破斷后，可以看到吊臂與后支架間一開始并沒有明顯的相對轉動，說明限位裝置起到了作用，限制了吊臂的回彈。

但是從8”開始，當吊臂與水平面角度達到90°后，情況發生了變化，吊臂開始向后支架轉動了；等到吊臂撞到后支架后，事故已不可避免。

Liebherr應該想到了吊鉤破斷后的吊臂回彈，但大概率沒想到船的橫傾。

與陸上吊裝作業不同，海上浮吊作業的時候，作為吊機基礎的船，自身狀態是不穩定的。吊裝過程中，因為貨物的重量和位置都在變化過程中，為了保持船體的平衡，需要進行相應的壓載調整。

但是調載需要時間。現在最先進的船每小時調載能力已達到萬噸級，但也應對不了幾千噸鉤載突然損失帶來的重量變化，于是我們看到Orion 1在吊鉤破斷后迅速的左傾，不過短短幾秒，橫傾角已超過10°。

由于碼頭的限制，船舶的橫傾被停了下來，但吊機就悲劇了。由于仰角大，船體左傾后不久，吊臂運動到了與水平面垂直的位置；船體繼續左傾，吊臂角度隨著變化 – 這是致命的，吊臂的重力分量不再是抵抗回彈力的先鋒，而是變成了加持回彈力的幫兇。在敵人和第五縱隊的雙重攻擊下，限位裝置崩潰了，吊臂撞上了后支架。

事故是偶然的，也是必然的。

海洋工程這種高度定制的行業，不可能像機械行業那樣，可以通過產品試制和試驗來摸索積累經驗。在進入到建造和現場執行階段前，詳盡的設計和分析是安全保證的基石，CAE工具的出現和應用，極大的減輕了工程師的負擔和壓力，但隨之而來的挑戰，是如何正確的使用。仿真，事先須知何為“真“，若仿出來的是”偽真“而不知，禍不遠矣。

經此事故，海上浮吊作業的所有相關方，腦袋里都會時不時響起一個聲音：“記住，船是會搖擺的！“