CAE其實沒有那么容易，所以才會特別讓人著迷！

2017-02-27  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

今天,和大家一起侃侃如何成為一個合格的有限元分析工程師。

這還要從N多年前傳統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的狀況說起。Long long ago,工程師設(shè)計時所依靠的還是設(shè)計規(guī)范和設(shè)計經(jīng)驗,對的,某種程度來說和第六感差不多吧。

那時候,對于常見結(jié)構(gòu),傳統(tǒng)的設(shè)計可以保證結(jié)構(gòu)的安全性,不能保證設(shè)計的最優(yōu)性,不利于結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)濟性。對于復(fù)雜的結(jié)構(gòu),這樣的設(shè)計甚至連使用的可靠性都無法合理的考慮。

后來,隨著現(xiàn)代數(shù)值模擬方法在工程領(lǐng)域的應(yīng)用,計算機輔助分析可以在設(shè)計階段對結(jié)構(gòu)進行校核、優(yōu)化,使工程師在產(chǎn)品未生產(chǎn)之前就對設(shè)計的經(jīng)濟性、安全性有所認識。

CAE工具千千萬,然而有限元方法由于較為成熟,在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用最廣而脫穎而出了。擇日不如撞日,小編今天就為大家?guī)碛邢拊治龅膶W(xué)習(xí)經(jīng)驗,其中有限元分析將特指結(jié)構(gòu)分析。

作為一個合格的有限元分析工程師

少了以下三方面技能可是萬萬不行的

一

基本功要扎實!!!

要有堅實的理論基礎(chǔ),包括力學(xué)理論(對于結(jié)構(gòu)有限元分析工程師)和有限元理論等等;

二

熟練的軟件操作!!!

即能夠熟練應(yīng)用必要的有限元分析軟件;

三

豐富的工程實踐經(jīng)驗!!!

對于不同的工程問題能夠準確的做出判斷和確定分析方案。

三個方面中,比較容易解決的是軟件操作,在這個盜版軟件和“史上最全XX軟件教程”滿天飛的時代,軟件下下,裝裝so easy!通過一些練習(xí)題就可以很快掌握軟件操作了。所以,有很多初學(xué)者在用幾個練習(xí)題熟悉了一個或幾個案例以后,就以為自己可以做一個分析工程師了,這是極端錯誤的!!!

練習(xí)題與工程分析的差別在于,在做練習(xí)題的時候,拿到手邊的已經(jīng)是簡化好的模型了,結(jié)構(gòu)已經(jīng)簡化好了,分析類型已經(jīng)設(shè)定,邊界條件和載荷條件已經(jīng)確定,計算完成后,能夠看到和教材上一致的結(jié)果就算是完成了。在這個過程中,學(xué)習(xí)者只學(xué)到了軟件如何使用,這個過程,不用說大學(xué)生,高中生都可以完成。

在做工程分析的時候,情況就完全不同了,沒有人給你指定模型的簡化、分析類型,邊界條件,在計算完成后,還需要對結(jié)果進行分析和評價。在這個過程中,軟件的使用變成了整個分析過程中的技術(shù)性最低的一個環(huán)節(jié)。

說了這么多

一個完整的工程分析的流程是怎樣的呢?

首先是問題的提出,在工業(yè)實踐中,提出問題的部門通常是設(shè)計部門或生產(chǎn)部門,設(shè)計部門會提出要求對某一設(shè)計進行某一方面的驗證或優(yōu)化,生產(chǎn)部門會提出對在產(chǎn)品生產(chǎn)或使用過程中出現(xiàn)的缺陷或問題進行分析和解決。

通常情況下,由于分工的不同,設(shè)計或生產(chǎn)的工程師對于有限元分析是沒有經(jīng)驗的,他們提出的問題是模糊的:

設(shè)計工程師會問,在某種情況下,我的設(shè)計安全嗎?

生產(chǎn)工程師會問,為什么這個產(chǎn)品會壞呢?

然后是問題的分析,這個過程是需要結(jié)構(gòu)分析工程師與設(shè)計工程師或生產(chǎn)工程師共同完成的。接到設(shè)計工程師和生產(chǎn)工程師提出的問題時,先對問題做一個初步的判斷,是什么樣類型的問題,然后對問題進行調(diào)查,做出是否需要進行下一步有限元分析的決策。

如果決定要進行有限元分析,接下來需要更仔細的分析了,需要決定以下幾個問題:

• 分析目的和分析規(guī)模;

• 結(jié)構(gòu)簡化與計算規(guī)模;

• 邊界條件和載荷條件;

• 建立模型的方式;

• 計算結(jié)果的分析方法。

等這幾個問題決定后,就可以開始計算了。

在計算結(jié)束以后,就需要對結(jié)果進行可信度的評價,即要確定計算結(jié)果是所設(shè)定問題的正確模擬,獲得了和實際問題足夠近似的結(jié)果。在此基礎(chǔ)上,才能按照預(yù)先定好的結(jié)果分析方法對結(jié)果進行分析。根據(jù)分析的結(jié)論,向設(shè)計和生產(chǎn)部門提供可靠的建議和意見。

上面粗略地介紹了工程有限元結(jié)構(gòu)分析的基本流程。從這個流程中,利用軟件處理一個設(shè)定好的問題只是其中的一個步驟。那么在這個流程對前面提到的三個方面的技能和經(jīng)驗是如何體現(xiàn)出來的?在整個流程中應(yīng)該注意一些什么關(guān)鍵問題呢?

工程有限元(結(jié)構(gòu))分析基本流程

在接到設(shè)計部門和生產(chǎn)部門提出的問題時,工程判斷非常重要,要了解問題的狀況,提出問題的目的,根據(jù)工程經(jīng)驗做出初步判斷。并非所有接到的問題都是需要進一步分析的,有限元分析也不一定是解決問題的最佳手段。在工程中,能夠用最少成本和最短時間解決問題的手段才是最佳的。

要做出正確的初步判斷,需要有通過解決大量工程問題積累的經(jīng)驗,需要對常見問題的理論有清晰的解決思路,需要對有限元方法的能力和局限有清楚的認識,同時對于可能進行的有限元分析需要的時間和人力有準確的判斷。這個過程中要充分和設(shè)計工程師及生產(chǎn)工程師進行溝通,盡量獲取更多的資料和數(shù)據(jù),避免模糊的直覺判斷,無論是否要進行下一步分析,都要提出有理有據(jù)的建議。

在決定需要進行有限元分析后,對即將要進行的分析的理論和本質(zhì)要有深刻的認識,對自己所可能使用的軟件的能力也要心中有數(shù),避免不合理和不切實際的分析計劃。運用理論和經(jīng)驗上的判斷,決定計算的模型、規(guī)模和類型。能夠用盡可能簡單的模型,盡可能短的時間得到解決問題所需要的分析結(jié)果是在制定分析計劃中的基本原則。

熟練的運用有限元軟件進行有限元分析,需要對軟件有深刻的認識,做到每輸入一個參數(shù)都清楚知道這個參數(shù)的意義和作用,這其實也需要理解有限元和力學(xué)的理論,僅僅熟悉軟件的界面是不夠的。

獲得分析結(jié)果后,問題并沒有解決,設(shè)計和生產(chǎn)部門需要的是簡單有效的結(jié)論和方案。能夠從紛繁復(fù)雜的數(shù)據(jù)中尋找問題的解決方案,需要的仍然是理論和經(jīng)驗。

一個合格的分析工程師

應(yīng)該具備哪些理論知識

在大學(xué)中,我們首先學(xué)到的是數(shù)學(xué),對于有限元分析,數(shù)學(xué)同樣是最基礎(chǔ)的。除了對微積分有深刻認識外,由于在力學(xué)領(lǐng)域會涉及到較多的偏微分方程,應(yīng)此對數(shù)理方程應(yīng)該了解。同時,由于有限元分析是數(shù)值計算方法,矩陣論和計算方法作為數(shù)值計算的基礎(chǔ),是必須要掌握的。另外的便是變分方法和復(fù)變函數(shù)了,對于有限元分析工程師,個人認為這兩門課程不是必須的,因為對于大多數(shù)工程力學(xué)分析問題,已經(jīng)有現(xiàn)成的變分過程可查了,有一點變分的知識就好了。

其實作為一個學(xué)力學(xué)出身的人,需要學(xué)習(xí)的數(shù)學(xué)太多了,我列舉一些我學(xué)過的科目,這些科目在學(xué)習(xí)時沒覺得有多少用,但到做有限元時,是可能會用到的,張量理論,偏微分數(shù)值方法,最優(yōu)化方法,積分變換,有了這些數(shù)學(xué)工具,就能夠比較容易理解軟件中,從理論到數(shù)值的過程。

作為的專業(yè)基礎(chǔ)課,力學(xué)科目自然是必不可少的,工科(非力學(xué)專業(yè))本科教育會學(xué)到的是最基礎(chǔ)的理論力學(xué),材料力學(xué),或許有結(jié)構(gòu)力學(xué)。理論力學(xué)給了最基本的力學(xué)知識,關(guān)注于剛體力學(xué)的經(jīng)典理論,材料力學(xué)關(guān)注于梁的力學(xué)行為,結(jié)構(gòu)力學(xué)關(guān)注于桿件力學(xué)行為。

碩士以后,就會接觸到彈性力學(xué),塑性力學(xué),斷裂力學(xué),板殼理論,振動力學(xué)。這些科目,不可能記住或推導(dǎo)全部那些紛繁復(fù)雜的公式,但是,有一點是重要的,至少,遇到問題,能很容易的到對應(yīng)的章節(jié)去找相關(guān)的公式和理論。特別要強調(diào)的課應(yīng)該是彈性力學(xué)和振動力學(xué),這兩本書是應(yīng)該爛熟的,如果這兩門課沒有好好學(xué),一定不能成為合格的有限元分析工程師,因為它們是靜力和動力分析的基礎(chǔ)。

學(xué)好了數(shù)學(xué)和力學(xué),就能成為好的分析工程師了嗎,當然不能,工程理論仍然必不可少:機械原理,機械零件,金屬材料…一個都不能少!!!一些學(xué)力學(xué)出身的工程師,他們有很好的理論功底,但是ENGINEERING JUDGEMENT卻比較差,做工程師畢竟不是做研究員,所以如何將理論真正用到實踐中,才是最重要的。

最后,對照以下標準,看看自己到底是什么級別吧?

1

菜鳥1級

會使用AUTOCAD畫一些簡單的二維圖,根據(jù)這個圖,能想象產(chǎn)品的三維形態(tài)。

2

菜鳥2級

你的二維圖上能夠看到公差,材料,表面處理,工藝技術(shù)要求等信息了。而且這些信息是你自己標上去的,你知道他們意味著什么。

3

菜鳥3級

你會畫二維圖了,并且你畫的圖看上去真的能加工出實物來了,盡管有時候會犯一些錯誤,例如精度要求高的的連德國人都做不出來,更何況你們車間的張師傅。應(yīng)領(lǐng)導(dǎo)的要求你能用一些三維軟件出個效果圖看看,雖然沒什么實用價值,至少很有成就感。

4

菜鳥4級

你已經(jīng)很清楚你的產(chǎn)品是怎么加工出來的了,而且了解每一道工藝工序的意義何在。如果需要改進,你也大體上能夠判斷從那里入手,對改進后可能產(chǎn)生的影響,你也 能猜到一二。這個時候,你已經(jīng)對深刻的認識到二維工程圖遠比三維模型有意義的多。你開始鄙視那些只會用三維軟件建一些三維模型的所謂機械工程師。

5

菜鳥5級

你開始了解什么叫企業(yè)信息化。知道了三維設(shè)計其實很有用,并且可以把你熱愛的工藝信息融入到三維設(shè)計中來。這個時候你應(yīng)該已經(jīng)能夠熟練地應(yīng)用三維軟件設(shè)計一些常用的零部件,并且生成足以指導(dǎo)生產(chǎn)的二維工程圖,或者直接拿到數(shù)控設(shè)備上加工出來。

6

菜鳥6級

你已經(jīng)能夠使用相關(guān)設(shè)計軟件管理生產(chǎn)了,包括設(shè)計出圖,零部件清單管理(BOM);你對生產(chǎn)流程已經(jīng)很清楚,能夠識別技術(shù)關(guān)鍵點并著力解決;甚至已經(jīng)開始嘗試利用有限元分析進行強度、疲勞等的分析,并且可以輕易的寫篇洋洋灑灑的設(shè)計文檔出來,忽悠菜鳥是不成問題了。而且如果你還沒有當上設(shè)計主管的話,可能是人際關(guān)系上需要再努把力了。

7

菜鳥8級

你已經(jīng)隱隱約約的感受到簡單而重復(fù)的設(shè)計出圖是在浪費你的時間,因為這些東西你已經(jīng)爛熟于胸。你更希望有更多的時間去致力于提升產(chǎn)品的整機競爭力,比如如何降成本,如何改進工藝流程,如何提升設(shè)計效率。你能夠看到你的產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)、材料、功能上還有不足,你能夠意識到這不是你一個人能改變的,你開始利用周邊的技術(shù)資源進行系統(tǒng)的考量,制定產(chǎn)品競爭力提升的計劃,并列出技術(shù)節(jié)點去一一攻破。

8

菜鳥8級

這個時候你已經(jīng)超越“結(jié)構(gòu)設(shè)計”的范疇了。你應(yīng)該很清楚,你的產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)上已經(jīng)沒什么潛力可以挖掘了。但是圍繞著結(jié)構(gòu),你能夠關(guān)注到整機產(chǎn)品的各個特性需求,在EMC、散熱、噪聲、安規(guī)、環(huán)境、人機工程、DFX(DFM可制造性、DFI可安裝性、DFA可裝配性、DFT可測試性)等等一系列領(lǐng)域都能夠靈活 滲透應(yīng)用,全面提升產(chǎn)品的核心競爭力。

9

菜鳥9級

對整個產(chǎn)品的核心競爭力負責(zé),是你的基礎(chǔ)工作了。同時,你要了解國內(nèi)外制造業(yè)相關(guān)標準規(guī)范,知道你的產(chǎn)品要在歐洲或北美銷售會面臨什么樣的門檻,需要提供什么樣的認證,你怎樣提升你的產(chǎn)品來滿足這些需求。你還必須對競爭對手的產(chǎn)品了如指掌,能夠一針見血的指出對方的短木板,和你自己產(chǎn)品的優(yōu)勢所在。你了解行業(yè)動態(tài),能夠預(yù)見將來5年甚至十年該產(chǎn)品的發(fā)展趨勢,并制定長期的發(fā)展戰(zhàn)略,指導(dǎo)你的手下進行相關(guān)的技術(shù)積累。

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