|
|
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,，卻不能保證設(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),。
6 Y1 h( o9 y3 l/ I3 L- G3 G9 y u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。
2 H8 r8 K4 P: ^- M+ S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)：
) m) H$ L V( ]; ^( D• 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 8 j1 [' c p( L8 K$ l$ ]
• 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
r( _ q) [1 s! V4 U• 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) t- B) R; y+ K. j
/ S) E ^4 n0 M! i6 \, \
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。
? q6 G3 z* k: W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。
. \4 A* ]. s. m) f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,？
5 a3 |6 @0 M& Z5 m/ W- N p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？
7 a; j8 e* ^( N( S) B7 X1 e$ @; H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。3 W/ n+ A4 N9 y+ E% Q( H( z
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,。+ [$ ^& |2 i9 [9 n& ]
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)。
}; {4 G5 y0 @5 ~" S0 G+ y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,？
: |. B5 R& B* h( ~1 `3 z. Q工程有限元（結(jié)構(gòu)）分析的基本流程：& e* _7 @; d! X6 h- S g
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
6 R9 B1 Z/ v/ E8 I& c9 V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。
4 Z! H$ ?, C6 W% v% S9 L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。
- X: X9 I- {1 a' H, q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,。+ N- u6 H( {! I; Z
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),。
: i; o& j' B5 k: m/ [% v7 J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),。7 } {& D3 _; M$ C3 F
隨著有限元在工業(yè)領(lǐng)域的普及,，F(xiàn)EA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。
6 A" i* C L, B+ F; y% y" ?9 X2 l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)榻┠�,，在大多�?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�,；虮究频慕逃尘埃赡苄枰龈嗯Σ拍軇偃芜@樣的職位,。
" q. p# T4 A# n2 i( H3 ~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,。
" v5 G7 t( }7 L( ~/ S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,，因此對(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。$ g! @2 c* b# {( Z0 {
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(guò)的科目，這些科目在學(xué)習(xí)時(shí)沒(méi)覺(jué)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程序中,，從理論到數(shù)值的過(guò)程。% }% ]$ M9 Y3 D% N
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。走南創(chuàng)北,，我的行李中,，幾本翻爛了的理論力學(xué)，材料力學(xué)總是不離身的,。這幾本書是要用一輩子的,。 x9 Y" ~- g/ c0 I. n
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，我本人也沒(méi)有學(xué)好了,，不能記住或推導(dǎo)那紛繁復(fù)雜的公式,。但是，有一點(diǎn)我想是重要的,，至少,，遇到問(wèn)題，我能很容易的到對(duì)應(yīng)的章節(jié)去找相關(guān)的公式和理論,。特別要強(qiáng)掉的課應(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(méi)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),。# V" D3 W7 t$ |4 _
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，我接觸過(guò)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，因?yàn)樽龉こ處煯吘共皇亲鲅芯繂T,，所以下一步的理論就該是工程理論了：機(jī)械原理,，機(jī)械零件，金屬材料,、,、、
% ~8 X4 x6 E( E5 T D) G$ t7 g Z! N; h2 r) ^
% P* F5 |% @) k5 Z4 P( q0 S |
評(píng)分
-
查看全部評(píng)分
|
發(fā)表于 2015-11-6 08:33:26
QQ好友和群
收藏
淘帖
問(wèn)題專業(yè)，描述清楚
伸手黨/灌水/看不懂
