如何成為一個(gè)合格的CAE分析工程師

2017-03-03 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中能夠充分考慮到多種因素,可以使設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品更加可靠和具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。但是在傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,工程師所依靠的常常是設(shè)計(jì)規(guī)范和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于常見(jiàn)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(wú)法合理的考慮。在這樣的背景下,計(jì)算機(jī)輔助分析開(kāi)始在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中發(fā)揮出越來(lái)越重要的作用。作為現(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)。

在各種CAE的工具中,有限元方法是相對(duì)較為成熟的,也是在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用最廣的。在有限元天地中,將介紹有限元分析的相關(guān)理論和學(xué)習(xí)有限元程序的經(jīng)驗(yàn)。由于本人專業(yè)所限,有限元分析天地中所指分析將特指結(jié)構(gòu)分析。

在本文中我將談?wù)勅绾纬蔀橐粋€(gè)合格的有限元分析工程師。作為一個(gè)合格的有限元分析工程師,至少應(yīng)該具備以下三個(gè)方面的技能和經(jīng)驗(yàn):

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

必要的程序使用經(jīng)驗(yàn),對(duì)常用的商業(yè)有限元分析程序能夠熟練應(yīng)用

工程實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn),對(duì)于不同的工程問(wèn)題能夠準(zhǔn)確的做出判斷和確定分析方案

在這三個(gè)方面中,比較容易解決的是程序使用,通常盜版軟件和程序教程是很容易獲得的,一般通過(guò)一些練習(xí)題就可以很快掌握程序的使用。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)程序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(jiǎn)化好的模型了,結(jié)構(gòu)已經(jīng)簡(jiǎn)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(guò)程中,學(xué)習(xí)者只學(xué)到了程序如何使用,這個(gè)過(guò)程,不用說(shuō)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(méi)有人給你指定模型的簡(jiǎn)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(guò)程中,程序的使用變成了整個(gè)分析過(guò)程中的技術(shù)性最低的一個(gè)環(huán)節(jié)。一個(gè)完整的工程分析的流程是怎樣的呢?

首先是問(wèn)題的提出,在工業(yè)實(shí)踐中,提出問(wèn)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(guò)程中出現(xiàn)的缺陷或問(wèn)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(méi)有經(jīng)驗(yàn)的,他們提出的問(wèn)題是模糊的,例如說(shuō),設(shè)計(jì)工程師會(huì)問(wèn),在某種情況下,我的設(shè)計(jì)安全嗎?生產(chǎn)工程師會(huì)問(wèn),為什么這個(gè)產(chǎn)品會(huì)壞呢?

然后是問(wèn)題的分析,這個(gè)過(guò)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(wèn)題時(shí),先對(duì)問(wèn)題做一個(gè)初步的判斷,是什么樣類型的問(wèn)題,然后對(duì)問(wèn)題進(jìn)行調(diào)查,作出是否需要進(jìn)行下一步的有限元分析。

接下來(lái),如果決定要進(jìn)行有限元分析,就需要更仔細(xì)的分析了,需要決定以下幾個(gè)問(wèn)題:分析目的和分析規(guī)模,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(wèn)題決定后,就可以開(kāi)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(wèn)題的正確模擬,獲得了和實(shí)際問(wèn)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,才最終向設(shè)計(jì)和生產(chǎn)部門提供可靠的建議和意見(jiàn)。

上面是粗略的介紹了工程有限元結(jié)構(gòu)分析的一個(gè)基本的流程。從這個(gè)流程中,利用程序處理一個(gè)設(shè)定好的問(wèn)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(lái)的?在整個(gè)流程中應(yīng)該注意一些什么關(guān)鍵問(wèn)題呢?

工程有限元(結(jié)構(gòu))分析的基本流程:

對(duì)問(wèn)題進(jìn)行初步分析(決定是否進(jìn)行有限元分析)->詳細(xì)分析(對(duì)分析進(jìn)行計(jì)劃)-> 進(jìn)行有限元分析-> 結(jié)果分析->問(wèn)題解決

在接到設(shè)計(jì)部門和生產(chǎn)部門提出的問(wèn)題時(shí),工程判斷(engineering judgment)非常重要,要了解問(wèn)題的狀況,提出問(wèn)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(wèn)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(wèn)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(wèn)題的手段才是最佳的。要做出正確的初步判斷,需要有通過(guò)解決大量工程問(wèn)題積累的經(jīng)驗(yàn),需要對(duì)常見(jiàn)問(wèn)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(guò)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(jué)判斷,無(wú)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)自己所可能使用的程序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(jiǎn)單的模型,盡可能短的時(shí)間得到解決問(wèn)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)用商業(yè)有限元程序進(jìn)行有限元分析,需要對(duì)程序有深刻的認(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,僅僅熟悉程序的界面是不夠的。

獲得分析結(jié)果后,問(wèn)題并沒(méi)有解決,設(shè)計(jì)和生產(chǎn)部門需要的是簡(jiǎn)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(wèn)題的解決方案,需要的仍然是理論和經(jīng)驗(yàn)。

下面我將分三章更詳細(xì)的談?wù)勛鳛橐粋€(gè)合格的分析工程師在應(yīng)該具備那些理論知識(shí)、如何和怎樣使用那些程序,同時(shí)介紹一些通用的工程經(jīng)驗(yàn)。

隨著有限元在工業(yè)領(lǐng)域的普及,FEA成為CAE的重要組成部分,同時(shí)也帶給大家一個(gè)感覺(jué),CAE嘛,當(dāng)然是COMPUTER重要。說(shuō)到這里,我想到一個(gè)人,就是我碩士時(shí)的導(dǎo)師,作為北大數(shù)學(xué)力學(xué)系的畢業(yè)生,在60年代分配去做反應(yīng)堆工程,作了一輩子的核設(shè)備力學(xué)分析。他到這個(gè)研究院后,開(kāi)始主要是手算解決力學(xué)問(wèn)題,然后是從打孔計(jì)算機(jī)開(kāi)始編程計(jì)算,然后從SAP4,ADINA用到了SAP84。在我入學(xué)時(shí),計(jì)算工具已經(jīng)是ANSYS5.4和MARC7了,操作系統(tǒng)也變成了UNIX,他已經(jīng)不會(huì)這些工具了,但是在日常的分析工作中,遇到問(wèn)題時(shí),無(wú)一不是他解決的。他給我說(shuō)的一句話,至今讓我受益。"無(wú)論用什么程序,要清楚你輸入的每一個(gè)參數(shù)的來(lái)龍去脈"。正是這樣,他得以幫助我們解決分析中遇到的問(wèn)題。透徹的了解所分析問(wèn)題的理論基礎(chǔ)是做一個(gè)分析工程師所必須的條件。

大多數(shù)公司對(duì)有限元分析工程師的基本學(xué)歷要求都是工學(xué)碩士。拋開(kāi)目前國(guó)內(nèi)人才市場(chǎng)學(xué)歷貶值的因素不談,我覺(jué)得這個(gè)要求是非常合理和必要的。因?yàn)檫M(jìn)近些年,在大多數(shù)的工科院校里,除了工程力學(xué)專業(yè)外,很少在本科階段開(kāi)設(shè)有限元理論的課程,另一些做有限元分析的必要理論課程,如彈性力學(xué),塑性力學(xué),變分理論也多在碩士階段才開(kāi)設(shè)。因此有時(shí)看到一些公司在招聘有限元分析工程師時(shí),學(xué)歷要求僅僅要求大?；虮究?便覺(jué)得有些懷疑。并非學(xué)歷歧視,只是覺(jué)得如果要以大專或本科的教育背景,可能需要做更多努力才能勝任這樣的職位。

作為一個(gè)分析工程師到底需要什么樣的理論基礎(chǔ)呢,也許有人覺(jué)得過(guò)分強(qiáng)調(diào)理論的重要性有些吹毛求疵了。在這一部分中,將系統(tǒng)介紹一下分析工程師必須具備的理論知識(shí),限于本文的寫作目的,本章不會(huì)涉及細(xì)節(jié)的理論。在未來(lái)的寫作中,我計(jì)劃將分別來(lái)對(duì)本章提到的學(xué)科和課程進(jìn)行詳細(xì)的講解,對(duì)自己所學(xué)也系統(tǒng)梳理一遍。

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)的了。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(wèn)題,已經(jīng)有現(xiàn)成的變分過(guò)程可查了,有一點(diǎn)變分的知識(shí)就好了。

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