CAE其實(shí)沒有那么容易，所以才會(huì)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(gè)合格的有限元分析工程師。

這還要從N多年前傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的狀況說起。Long long ago,工程師設(shè)計(jì)時(shí)所依靠的還是設(shè)計(jì)規(guī)范和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),對(duì)的,某種程度來說和第六感差不多吧。

那時(shí)候,對(duì)于常見結(jié)構(gòu),傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以保證結(jié)構(gòu)的安全性,不能保證設(shè)計(jì)的最優(yōu)性,不利于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于復(fù)雜的結(jié)構(gòu),這樣的設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)輔助分析可以在設(shè)計(jì)階段對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核、優(yōu)化,使工程師在產(chǎn)品未生產(chǎn)之前就對(duì)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性、安全性有所認(rèn)識(shí)。

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(yàn),其中有限元分析將特指結(jié)構(gòu)分析。

作為一個(gè)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(shí)!!!

要有堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ),包括力學(xué)理論(對(duì)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)!!!

對(duì)于不同的工程問題能夠準(zhǔn)確的做出判斷和確定分析方案。

三個(gè)方面中,比較容易解決的是軟件操作,在這個(gè)盜版軟件和“史上最全XX軟件教程”滿天飛的時(shí)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(gè)練習(xí)題熟悉了一個(gè)或幾個(gè)案例以后,就以為自己可以做一個(gè)分析工程師了,這是極端錯(cuò)誤的!!!

練習(xí)題與工程分析的差別在于,在做練習(xí)題的時(shí)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(jì)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(gè)過程中,學(xué)習(xí)者只學(xué)到了軟件如何使用,這個(gè)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(shí)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(jì)算完成后,還需要對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。在這個(gè)過程中,軟件的使用變成了整個(gè)分析過程中的技術(shù)性最低的一個(gè)環(huán)節(jié)。

說了這么多

一個(gè)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(shí)踐中,提出問題的部門通常是設(shè)計(jì)部門或生產(chǎn)部門,設(shè)計(jì)部門會(huì)提出要求對(duì)某一設(shè)計(jì)進(jìn)行某一方面的驗(yàn)證或優(yōu)化,生產(chǎn)部門會(huì)提出對(duì)在產(chǎn)品生產(chǎn)或使用過程中出現(xiàn)的缺陷或問題進(jìn)行分析和解決。

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

設(shè)計(jì)工程師會(huì)問,在某種情況下,我的設(shè)計(jì)安全嗎?

生產(chǎn)工程師會(huì)問,為什么這個(gè)產(chǎn)品會(huì)壞呢?

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

如果決定要進(jìn)行有限元分析,接下來需要更仔細(xì)的分析了,需要決定以下幾個(gè)問題:

• 分析目的和分析規(guī)模;

• 結(jié)構(gòu)簡化與計(jì)算規(guī)模;

• 邊界條件和載荷條件;

• 建立模型的方式;

• 計(jì)算結(jié)果的分析方法。

等這幾個(gè)問題決定后,就可以開始計(jì)算了。

在計(jì)算結(jié)束以后,就需要對(duì)結(jié)果進(jìn)行可信度的評(píng)價(jià),即要確定計(jì)算結(jié)果是所設(shè)定問題的正確模擬,獲得了和實(shí)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(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。根據(jù)分析的結(jié)論,向設(shè)計(jì)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(gè)流程中,利用軟件處理一個(gè)設(shè)定好的問題只是其中的一個(gè)步驟。那么在這個(gè)流程對(duì)前面提到的三個(gè)方面的技能和經(jīng)驗(yàn)是如何體現(xiàn)出來的?在整個(gè)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(jì)部門和生產(chǎn)部門提出的問題時(shí),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(yàn)做出初步判斷。并非所有接到的問題都是需要進(jìn)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(shí)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(yàn),需要對(duì)常見問題的理論有清晰的解決思路,需要對(duì)有限元方法的能力和局限有清楚的認(rèn)識(shí),同時(shí)對(duì)于可能進(jìn)行的有限元分析需要的時(shí)間和人力有準(zhǔn)確的判斷。這個(gè)過程中要充分和設(shè)計(jì)工程師及生產(chǎn)工程師進(jìn)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(jìn)行下一步分析,都要提出有理有據(jù)的建議。

在決定需要進(jìn)行有限元分析后,對(duì)即將要進(jìn)行的分析的理論和本質(zhì)要有深刻的認(rèn)識(shí),對(duì)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(shí)際的分析計(jì)劃。運(yùn)用理論和經(jīng)驗(yàn)上的判斷,決定計(jì)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(shí)間得到解決問題所需要的分析結(jié)果是在制定分析計(jì)劃中的基本原則。

熟練的運(yùn)用有限元軟件進(jìn)行有限元分析,需要對(duì)軟件有深刻的認(rèn)識(shí),做到每輸入一個(gè)參數(shù)都清楚知道這個(gè)參數(shù)的意義和作用,這其實(shí)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(jì)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(yàn)。

一個(gè)合格的分析工程師

應(yīng)該具備哪些理論知識(shí)

在大學(xué)中,我們首先學(xué)到的是數(shù)學(xué),對(duì)于有限元分析,數(shù)學(xué)同樣是最基礎(chǔ)的。除了對(duì)微積分有深刻認(rèn)識(shí)外,由于在力學(xué)領(lǐng)域會(huì)涉及到較多的偏微分方程,應(yīng)此對(duì)數(shù)理方程應(yīng)該了解。同時(shí),由于有限元分析是數(shù)值計(jì)算方法,矩陣論和計(jì)算方法作為數(shù)值計(jì)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(duì)于有限元分析工程師,個(gè)人認(rèn)為這兩門課程不是必須的,因?yàn)閷?duì)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(diǎn)變分的知識(shí)就好了。

其實(shí)作為一個(gè)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(shí)沒覺得有多少用,但到做有限元時(shí),是可能會(huì)用到的,張量理論,偏微分?jǐn)?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(huì)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(shí),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(huì)接觸到彈性力學(xué),塑性力學(xué),斷裂力學(xué),板殼理論,振動(dòng)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(diǎn)是重要的,至少,遇到問題,能很容易的到對(duì)應(yīng)的章節(jié)去找相關(guān)的公式和理論。特別要強(qiáng)調(diào)的課應(yīng)該是彈性力學(xué)和振動(dòng)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?yàn)樗鼈兪庆o力和動(dòng)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(dāng)然不能,工程理論仍然必不可少:機(jī)械原理,機(jī)械零件,金屬材料…一個(gè)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(shí)踐中,才是最重要的。

最后,對(duì)照以下標(biāo)準(zhǔn),看看自己到底是什么級(jí)別吧?

1

菜鳥1級(jí)

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

2

菜鳥2級(jí)

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(biāo)上去的,你知道他們意味著什么。

3

菜鳥3級(jí)

你會(huì)畫二維圖了,并且你畫的圖看上去真的能加工出實(shí)物來了,盡管有時(shí)候會(huì)犯一些錯(cuò)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(gè)效果圖看看,雖然沒什么實(shí)用價(jià)值,至少很有成就感。

4

菜鳥4級(jí)

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(jìn),你也大體上能夠判斷從那里入手,對(duì)改進(jìn)后可能產(chǎn)生的影響,你也 能猜到一二。這個(gè)時(shí)候,你已經(jīng)對(duì)深刻的認(rèn)識(shí)到二維工程圖遠(yuǎn)比三維模型有意義的多。你開始鄙視那些只會(huì)用三維軟件建一些三維模型的所謂機(jī)械工程師。

5

菜鳥5級(jí)

你開始了解什么叫企業(yè)信息化。知道了三維設(shè)計(jì)其實(shí)很有用,并且可以把你熱愛的工藝信息融入到三維設(shè)計(jì)中來。這個(gè)時(shí)候你應(yīng)該已經(jīng)能夠熟練地應(yīng)用三維軟件設(shè)計(jì)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(jí)

你已經(jīng)能夠使用相關(guān)設(shè)計(jì)軟件管理生產(chǎn)了,包括設(shè)計(jì)出圖,零部件清單管理(BOM);你對(duì)生產(chǎn)流程已經(jīng)很清楚,能夠識(shí)別技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)并著力解決;甚至已經(jīng)開始嘗試?yán)糜邢拊治鲞M(jìn)行強(qiáng)度、疲勞等的分析,并且可以輕易的寫篇洋洋灑灑的設(shè)計(jì)文檔出來,忽悠菜鳥是不成問題了。而且如果你還沒有當(dāng)上設(shè)計(jì)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(jí)

你已經(jīng)隱隱約約的感受到簡單而重復(fù)的設(shè)計(jì)出圖是在浪費(fèi)你的時(shí)間,因?yàn)檫@些東西你已經(jīng)爛熟于胸。你更希望有更多的時(shí)間去致力于提升產(chǎn)品的整機(jī)競爭力,比如如何降成本,如何改進(jìn)工藝流程,如何提升設(shè)計(jì)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(shí)到這不是你一個(gè)人能改變的,你開始利用周邊的技術(shù)資源進(jìn)行系統(tǒng)的考量,制定產(chǎn)品競爭力提升的計(jì)劃,并列出技術(shù)節(jié)點(diǎn)去一一攻破。

8

菜鳥8級(jí)

這個(gè)時(shí)候你已經(jīng)超越“結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”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(jī)產(chǎn)品的各個(gè)特性需求,在EMC、散熱、噪聲、安規(guī)、環(huán)境、人機(jī)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(jí)

對(duì)整個(gè)產(chǎn)品的核心競爭力負(fù)責(zé),是你的基礎(chǔ)工作了。同時(shí),你要了解國內(nèi)外制造業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,知道你的產(chǎn)品要在歐洲或北美銷售會(huì)面臨什么樣的門檻,需要提供什么樣的認(rèn)證,你怎樣提升你的產(chǎn)品來滿足這些需求。你還必須對(duì)競爭對(duì)手的產(chǎn)品了如指掌,能夠一針見血的指出對(duì)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(dòng)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(jìn)行相關(guān)的技術(shù)積累。

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