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エンジニアは、自分が設計したすべての製品や構造物の完全性と安全性に全責任を負わなければならないという厄介な立場にあります。設計上の小さなミスが切迫した災害につながることも少なくありません。（裁判になったり、訴訟になったりすることもよくあります。）
そのため、製品や構造は、現実の世界に展開する前に、さまざまなストレステストや最適化を行います。しかし、このようなテストを何百回も繰り返して（しかも大規模に）行うには、莫大な費用がかかります。そこでエンジニアは、このテストを自動化・簡略化するために、有限要素解析などのシミュレーションモデリング技術を利用します。
これは、反復プロトタイピングのための材料の使用を減らすのに役立ちます。
有限要素解析は、エンジニアやCAD設計者が設計上の「応力」をシミュレートするために用いる最も一般的な手法の一つです。
有限要素解析（FEA）は、物理学的な計算を駆使して工学的な問題を解決するための数値解析手法です。
例えば、橋を設計するエンジニアは、荷重を受けたときの構造体の挙動を予測する必要があります。構造物の応力分布を記述する方程式系はわかっていても、橋のような複雑な構造物の場合、簡単に（あるいは直接）解くことはできません。
そのため、システムを小さな要素（有限要素）に分解し、その計算を容易にして解けるようにしなければなりません。
有限要素には1次元、2次元、3次元のものがあります。有限要素法は、工学における境界問題（フィールド問題）の近似解を計算するために、FEAで一般的に使用されています。
"フィールド"とは、通常、物理的な構造物を主な領域として表します。
「フィールド変数」は、微分方程式によって支配される対象の変数です。 それらは、変数 (または関連する変数) の特定の値の境界条件を達成する必要があります。
「ノード」は、フィールド変数の値を含む有限要素上の特定の点であり、通常は明示的に計算されます。 これらの値は、シェイプ関数を使用してノードで値を補間することにより、ノード以外のポイントで値を計算するために使用されます。
この段階では、ドメインの問題、材料特性、幾何学的特性、メッシュモデル、境界条件、要素タイプなどを定義する必要があります。通常、この段階では、エンジニアは迅速かつ正確な結果を得るために、問題をできるだけ単純化します。
例えば、シミュレーションを行う前のCADモデルには、フィレットや穴など、シミュレーションには必要のない機能が多く含まれていることがありますが、これらの機能は計算リソースを消費し、レンダリング時間を増加させます。エンジニアは通常、シミュレーションを高速化するためにこれらのフィーチャーを削除します。
この作業は、設計者が手作業で1つずつ機能を削除していくことも、スペイシャルのCGM Defeaturingを使って自動的に行うこともできます。このプロセスを自動化することの大きなメリットは、ヒューマンエラーを減らすことです。
ここでは、フィールド変数の未知の値に対して計算が行われます。 これらの値を使用して、応力や反力などの派生変数を計算できます。
並べ替え、プロッティング、印刷は、選択した結果を有限要素解析のソリューションとして実装する最後の作業です。
一部の分野 (流体力学など) の FEA モデリングの欠点により、有限要素解析のアプリケーションの多様性を高めながら、解法プロセスにいくつかの改善が求められています。
一般的なタイプとしては、以下のようなものがあります。
損傷破壊や故障などの問題は、有限要素法では直接扱うことができません。
XFEMは、Galerkin法とHeavisideステップ関数を用いて、形状関数の展開を可能にします。ノードには不連続な部分に自由度が与えられています。
このタイプでは、形状関数はグローバル座標で定義されている間、1 の分割によって乗算されます。 これにより、ローカル要素関数を形成できる間、再メッシュが防止されます。
FEAは、CAD設計において最も強力かつ一般的に使用される機能の一つです。
FEAは、小さな直方体や三角柱などの有限要素を用いて物体を解析するために、CADと一体化しています。オブジェクト全体を解析するためには、オブジェクト全体のネットワーク内の各有限要素を解析し、その結果を組み合わせて複雑なオブジェクトの全体的な挙動をプロットします。各要素は、応力-ひずみ、動特性、熱特性などの特定の特性のしきい値、またはその他の特性（適用される場所による）について解析することができます。
CADワークフローでは、設計に必要な各要素やネットワーク構造を定義することができます。
FEA を使用すると、エンジニアは、テスト目的で物理モデルを作成する必要がなく、設計されたモデルのシミュレーションを実行できます。
FEA にはさらに多くの利点があります。
解析中の FEM により、さまざまな種類の材料のモデリングが可能になり、限られた効果が複雑な形状の設計の小さな領域にどのように影響するかを監視することができます。
エンジニアは、有限要素モデリングに特化したソフトウェアを様々な作業に利用することができます。
流体力学、衝突による車両の変形、人間の骨にかかる応力など、エンジニアが有限要素モデリングソフトウェアを実用的に利用する例は数多くあります。
FEAは予測的ではありますが、断定的ではありません。
FEA は、シミュレーションされたストレスに設計が確実に耐えられるかどうかを確認するものではありません。FEAは、物理的なテストのコストを削減しながら、設計が課せられたストレスに対してどのように反応するかをエンジニアに示すだけです。
全体的なFEAの経験として、この機能を備えた数多くのCADソフトウェアがあり、エンジニアリングのどの分野であっても、より良い正確な構造を設計するのに役立つでしょう。
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