CAE工程師談如何修煉內(nèi)功【轉(zhuǎn)發(fā)】

2017-12-14 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

本人既非專(zhuān)家學(xué)者,也不是技術(shù)大牛,接觸有限元分析是從本科大四專(zhuān)業(yè)選修課開(kāi)始,當(dāng)時(shí)聽(tīng)了各個(gè)選修課老師的課程介紹以后,覺(jué)得有限元分析挺有用,于是就無(wú)畏的選了這門(mén)課程。

鑒于力學(xué)知識(shí)和數(shù)學(xué)知識(shí)有限也沒(méi)有課后下功夫,整個(gè)處于聽(tīng)天書(shū)階段,直到老師開(kāi)始講授演示軟件的使用才有所熱情和投入,當(dāng)時(shí)用的是ANSYS12.0(經(jīng)典界面)。這時(shí)候被有限元分析技術(shù)的強(qiáng)大和分析結(jié)果云圖給人視覺(jué)上的炫酷沖擊所吸引。當(dāng)然仍然處于一個(gè)知其然不知其所以然的狀態(tài),總之課程結(jié)束后仍然處于懵懂中,最多算軟件入門(mén)。我想很多人應(yīng)該跟我有相同經(jīng)歷。

之后研究生階段,由于機(jī)械專(zhuān)業(yè)的研究生培養(yǎng)方案導(dǎo)師一般都將有限元選作為必修課程,于是又開(kāi)始了CAE的學(xué)習(xí)過(guò)程。除了有限元課程,學(xué)院還安排了數(shù)值分析,優(yōu)化設(shè)計(jì)理論,數(shù)學(xué)物理方法等課程。

很幸運(yùn)此時(shí)有限元課程的老師講的特別好,而且因?yàn)樾枰嫦驀?guó)際類(lèi)學(xué)生,有校際合作項(xiàng)目,所以使用的教材和PPT還有最后的考試都是英文,當(dāng)然給我們授課是中文。這位老師以形函數(shù)切入,到桿單元梁?jiǎn)卧?殼單元實(shí)體單元等等循序漸進(jìn),通過(guò)力學(xué)推導(dǎo)獲得單元矩陣,再到矩陣組裝,高斯積分,面積法計(jì)算等等一步步給我們講解,確實(shí)對(duì)基礎(chǔ)的理論知識(shí)有更好的掌握,可以說(shuō)所有理論都源自于這個(gè)老師,所以我個(gè)人體會(huì)是學(xué)習(xí)過(guò)程中的思路和授課老師非常重要。

說(shuō)了這么多題外話(huà),我們回歸主題,單純從一個(gè)CAE從業(yè)工程師角度來(lái)闡述這樣一個(gè)話(huà)題,對(duì)作者本人而言,也是個(gè)總結(jié)和規(guī)劃。

隨著數(shù)值算法和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,CAE仿真所能實(shí)現(xiàn)的作用越來(lái)越大。根據(jù)相關(guān)資料介紹,波音早已經(jīng)實(shí)現(xiàn)無(wú)圖紙?jiān)O(shè)計(jì),所有設(shè)計(jì),控制,裝配工藝等等都是通過(guò)計(jì)算機(jī)虛擬完成,應(yīng)該來(lái)說(shuō)這會(huì)是一個(gè)趨勢(shì)。在這個(gè)過(guò)程中,CAE技術(shù)占據(jù)著舉足輕重的作用,諸如強(qiáng)度校核,疲勞壽命,電磁熱,流體分析,振動(dòng)噪聲等都可以通過(guò)數(shù)值仿真定性或者定量實(shí)現(xiàn),在物理樣機(jī)投產(chǎn)之前確保設(shè)計(jì)一次性成功,而且性能最優(yōu)。

如今像在航空航天,汽車(chē)制造等領(lǐng)域都投入了大量人力財(cái)力,幾乎所有的航天院所,主機(jī)廠研發(fā)中心都有百十幾百號(hào)人,可見(jiàn)大家對(duì)這一領(lǐng)域的認(rèn)可和共識(shí)。

既然這門(mén)技術(shù)這么有用,對(duì)于像我們這樣的從業(yè)人員該如何去提升這塊的技術(shù)儲(chǔ)備,并且更好的應(yīng)用到工程項(xiàng)目中呢?從企業(yè)和個(gè)人角度來(lái)談?wù)勛约旱目捶ā?/span>

企業(yè)

首先是企業(yè),僅從個(gè)人感受來(lái)說(shuō),國(guó)內(nèi)大大小小的制造業(yè)公司都或多或少的在使用有限元分析,無(wú)論是背著用盜版軟件還是購(gòu)買(mǎi)官方軟件模塊,總之大家有這樣的感受,即便我做這個(gè)可能對(duì)公司產(chǎn)品沒(méi)有質(zhì)的提升,但會(huì)給客戶(hù)感覺(jué)你們還挺高大上,會(huì)搞點(diǎn)研發(fā)。

但這里面有一些矛盾,正版軟件一般來(lái)說(shuō)投入都非常的大,除非是有心要在CAE這塊切入產(chǎn)品,干出成績(jī)的大企業(yè),否則很少有購(gòu)買(mǎi)的,既然有盜版可以用我為什么要花這個(gè)錢(qián)。老總看的是賬本,中間環(huán)節(jié)我不care。基于此,官方的很多培訓(xùn)、會(huì)議和客戶(hù)支持是無(wú)法享受到的,軟件使用中間遇到的技術(shù)難題更多只能自己摸索或者求助網(wǎng)絡(luò)。

同時(shí),在小企業(yè)中配備的CAE仿真團(tuán)隊(duì)人數(shù)也少,很多都是個(gè)位數(shù),如此內(nèi)部也缺乏技術(shù)上的交流,當(dāng)內(nèi)外部交流都不通暢,對(duì)工程師來(lái)講會(huì)是非?？菰锖蛪阂值?見(jiàn)識(shí)和技術(shù)提升也是非常緩慢的。由此可能導(dǎo)致因分析能力不夠輸出低質(zhì)量甚至錯(cuò)誤的分析結(jié)果,進(jìn)而循環(huán)對(duì)企業(yè)技術(shù)能力和產(chǎn)品質(zhì)量并沒(méi)有產(chǎn)生多大的促進(jìn)作用,有可能還導(dǎo)致新問(wèn)題的產(chǎn)生。

所以企業(yè)應(yīng)該提供更多的機(jī)會(huì)讓工程師走出去,從而走上去,在工作中有收獲。即便公司在CAE投入的少,也應(yīng)該創(chuàng)造機(jī)會(huì)讓CAE工程師多出去交流培訓(xùn)。對(duì)大企業(yè)而言,人力財(cái)力雄厚,那么在內(nèi)外部雙方面提供這樣的機(jī)會(huì),對(duì)內(nèi)引進(jìn)高層次人才學(xué)科帶頭人,建設(shè)和帶領(lǐng)CAE團(tuán)隊(duì)不斷前進(jìn),把關(guān)把方向把質(zhì)量,在內(nèi)部設(shè)計(jì)溝通交流、定期沙龍等機(jī)制,也可以不定期邀請(qǐng)專(zhuān)家學(xué)者做學(xué)術(shù)報(bào)告,邀請(qǐng)工程經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師、軟件供應(yīng)商以及其他類(lèi)高級(jí)供應(yīng)商來(lái)公司進(jìn)行技術(shù)交流,有交流就會(huì)有活力有收獲。

外部可以積極拓展同高校、優(yōu)質(zhì)咨詢(xún)公司、軟件服務(wù)公司之間的合作,拓展和整合行業(yè)資源,積極提供條件參與行業(yè)高端論壇和會(huì)議,讓工程師有地方走出去,走出去有方向。

個(gè)人

對(duì)于我們這一段位的工程師,如何在專(zhuān)業(yè)上有收獲和積累。作者拙見(jiàn),可以分幾個(gè)階段:

一、基礎(chǔ)夯實(shí)

很多企業(yè)在招聘CAE分析工程師的時(shí)候,一般都會(huì)要求碩士及以上學(xué)歷,多數(shù)是機(jī)械或者數(shù)學(xué)、力學(xué)專(zhuān)業(yè),并不是說(shuō)做這份工作必須得碩士畢業(yè)才能勝任,而是體現(xiàn)這個(gè)崗位需要一定的學(xué)科基礎(chǔ)才能更好的承擔(dān)這份工作。

機(jī)械類(lèi)本科生畢業(yè)所接觸到的數(shù)學(xué)知識(shí)主要是高等數(shù)學(xué)、矩陣?yán)碚摰葞组T(mén)課程(本科數(shù)學(xué)、力學(xué)專(zhuān)業(yè)的我不太了解,這里有描述不全的可以有補(bǔ)充),力學(xué)則比較普遍的是理論力學(xué)和材料力學(xué),還有振動(dòng)基礎(chǔ)。此時(shí)如果學(xué)習(xí)有限元理論等知識(shí),就會(huì)有很多數(shù)學(xué)需要額外補(bǔ)充,可能對(duì)變分不了解,對(duì)高斯積分也不太懂等等此類(lèi)。而涉及的彈性力學(xué)固體力學(xué)知識(shí)也是了解不夠,這樣學(xué)習(xí)起來(lái)也更為困難,所以學(xué)校培養(yǎng)計(jì)劃也沒(méi)有這一項(xiàng)要求。

還有個(gè)原因,大部分通過(guò)考試進(jìn)入研究生階段的同學(xué),因?yàn)榻?jīng)歷過(guò)對(duì)數(shù)學(xué)(一)的一次復(fù)習(xí),對(duì)微積分、矩陣的計(jì)算和處理都更加熟練和深入,對(duì)諸如專(zhuān)業(yè)課材料力學(xué)之類(lèi)的掌握都更深入,這對(duì)進(jìn)入研究生階段的課程學(xué)習(xí)也是非常有用的。

以上這些敘述就是想說(shuō)明,在理論的學(xué)習(xí)上,需要比較扎實(shí)的數(shù)學(xué)和力學(xué)知識(shí)做基礎(chǔ),這樣就能更好的掌握這個(gè)學(xué)科(好像廢話(huà))。

數(shù)學(xué)方面需要對(duì)微積分,變分理論,數(shù)值計(jì)算,矩陣運(yùn)算,散度、旋度、梯度、高斯定理等等有比較好的學(xué)習(xí)和理解。力學(xué)知識(shí)需要基礎(chǔ)的彈性力學(xué)、固體力學(xué)以及動(dòng)力學(xué)方面的補(bǔ)充,熟悉材料力學(xué)的各個(gè)概念,理解各個(gè)強(qiáng)度理論。如果是涉及別的方向比如熱力學(xué)、振動(dòng)噪聲,則需要對(duì)對(duì)應(yīng)領(lǐng)域的基礎(chǔ)方程由來(lái)熟悉,對(duì)振動(dòng)方程、模態(tài)概念、聲學(xué)基本概念、信號(hào)處理基本方法、傅里葉變換等做到心中有數(shù)。

有了這些基礎(chǔ)數(shù)學(xué)知識(shí)和基礎(chǔ)學(xué)科知識(shí)的積累和匹配,我們就能更好的進(jìn)入下一階段的學(xué)習(xí)和進(jìn)階。

二、繼續(xù)壘磚

有了基礎(chǔ)知識(shí)以后,我們?cè)诤罄m(xù)的學(xué)習(xí)中會(huì)更加得心應(yīng)手。接下來(lái)我覺(jué)得可以邁入對(duì)有限元基本理論的全面系統(tǒng)學(xué)習(xí)階段,這個(gè)階段依然是一個(gè)儲(chǔ)備。

你可以系統(tǒng)的拿一本書(shū)去學(xué)習(xí)(比如王勖成的《有限單元法》,個(gè)人覺(jué)得挺不錯(cuò)的,挺全面),基于第一階段學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)知識(shí),去了解有限元各類(lèi)單元的推導(dǎo)。在我看來(lái)這一階段就是學(xué)習(xí)如何推導(dǎo)求解方程。從易到難,先是推導(dǎo)桿單元,再到梁?jiǎn)卧?、殼單元、三維實(shí)體單元。學(xué)習(xí)利用變分原理獲取基本方程弱積分形式,轉(zhuǎn)化推導(dǎo)獲得我們普遍的型如KM=F的等式。

有了方程就得求解,確定用什么單元,每個(gè)單元幾個(gè)節(jié)點(diǎn),每個(gè)節(jié)點(diǎn)幾個(gè)自由度,確定單元矩陣大小,計(jì)算出單元矩陣,通過(guò)單元矩陣組裝獲得方程總體單元矩陣,再用數(shù)值方法去求解矩陣,獲得我們想要的未知量。上面是一個(gè)籠統(tǒng)的描述,一個(gè)基本過(guò)程介紹。在這個(gè)過(guò)程中會(huì)涉及到等參數(shù)單元使用,雅格比矩陣計(jì)算,面積法體積法hammer積分,高斯積分使用等等。深入復(fù)雜的還可能針對(duì)矩陣組裝算法做研究,這里涉及的就更多是數(shù)學(xué)知識(shí)的應(yīng)用了。

這個(gè)階段的學(xué)習(xí)可以通過(guò)自己邊學(xué)習(xí)邊手動(dòng)編程來(lái)加深理解,加深對(duì)知識(shí)的熟悉,如用MATLAB、C語(yǔ)言等編程實(shí)現(xiàn),像曾攀教授編寫(xiě)的《有限元分析基礎(chǔ)教程》每一張節(jié)都給出詳細(xì)的MATLAB程序,對(duì)學(xué)習(xí)非常有用。在編程過(guò)程中可以結(jié)合商用軟件的分析結(jié)果做對(duì)比,相互補(bǔ)充。

完成上述學(xué)習(xí)之后,對(duì)有限元可以說(shuō)是有了比較清晰的認(rèn)識(shí),借用那句話(huà)叫“驀然回首,那人卻在燈火闌珊處”,應(yīng)該有柳暗花明之感。此時(shí)可以說(shuō)已經(jīng)具備了CAE工程師的基本素質(zhì),接下來(lái)就是在工作和具體項(xiàng)目中參與設(shè)計(jì),解決工程問(wèn)題。

三、實(shí)踐出真知

所謂知易行難,懂得了很多道理,依舊過(guò)不好這一生。很多東西和理論大家都了解都明白,但要具體實(shí)踐確實(shí)挺難的。就像作者本人,洋洋灑灑數(shù)千言,覺(jué)得如何如何做,但要真正做到也挺難,一直在不斷學(xué)習(xí)和請(qǐng)教中摸爬。但感受還是要寫(xiě),道理繼續(xù)講。

有了理論基礎(chǔ),我們需要用理論去解決問(wèn)題,首先是對(duì)商業(yè)軟件的使用上。這塊入門(mén)挺簡(jiǎn)單,無(wú)論是ABAQUS、ANSYS、Hypermesh等都很好入門(mén),網(wǎng)上很多教程,但要用好以及用到某個(gè)問(wèn)題中來(lái)卻是需要經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)。

實(shí)際工程問(wèn)題的難點(diǎn)在于基于現(xiàn)有的技術(shù)建立與問(wèn)題匹配的模型,這里面包括幾何模型應(yīng)該如何建立如何簡(jiǎn)化,模型的邊界條件怎么添加,邊界問(wèn)題的處理關(guān)系到CAE分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和指導(dǎo)性,所以至關(guān)重要。同時(shí)如果有實(shí)驗(yàn)對(duì)標(biāo)需要考慮實(shí)驗(yàn)如何匹配你設(shè)置的邊界,相互補(bǔ)充。

所以說(shuō),能否正確把工程問(wèn)題轉(zhuǎn)為能夠與之匹配的分析模型是實(shí)踐中最關(guān)鍵的地方。而這塊是急不得的,需要長(zhǎng)期的經(jīng)驗(yàn)積累,同時(shí)要對(duì)產(chǎn)品有深入的了解和熟悉度。換句話(huà)說(shuō),工作中需要深入一線去了解你所在塊的產(chǎn)品,知道他怎么工作,如何工作,實(shí)際發(fā)生了什么,發(fā)生過(guò)什么,盡可能的看透它,這樣對(duì)有關(guān)的分析工作才能得心應(yīng)手。

很多工程師工作個(gè)半年一年其實(shí)軟件使用已經(jīng)很熟練,但是仍然在工程問(wèn)題轉(zhuǎn)化到模型分析中會(huì)有很多問(wèn)題,容易考慮欠周全,包括我自己也是。所以在處理問(wèn)題時(shí)候如果條件允許,盡可能同設(shè)計(jì)人員、同問(wèn)題來(lái)源者以及同更有經(jīng)驗(yàn)的團(tuán)隊(duì)成員多溝通,詳細(xì)聽(tīng)取他們的意見(jiàn),從而比較全面的去完成工作。

會(huì)分析會(huì)建模,結(jié)果也能輸出了,又會(huì)遇到一個(gè)問(wèn)題,怎么評(píng)判結(jié)果,這也是非常關(guān)鍵的一點(diǎn)。當(dāng)然在工作中會(huì)有遇到單純做一個(gè)計(jì)算,計(jì)算完輸出結(jié)果給設(shè)計(jì)或者其他工程師就行。但更多時(shí)候需要CAE工程師輸出結(jié)論,行不行?好不好?夠不夠?多久?多長(zhǎng)?等等各類(lèi)結(jié)果。如果沒(méi)有一個(gè)好的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)確實(shí)無(wú)所適從,光憑經(jīng)驗(yàn)又不太靠譜,所以也挺糾結(jié)。

作者認(rèn)為到這個(gè)時(shí)候,需要對(duì)行業(yè)內(nèi)常用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范有一定的學(xué)習(xí),有標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)判。對(duì)照公司內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)和以往數(shù)據(jù)積累,從商業(yè)軟件供應(yīng)商處獲取一些技術(shù)支持等等。行業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)不夠成熟的借鑒其他成熟行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,只有在各種可靠的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中才能更好的輸出高質(zhì)量的分析報(bào)告。

總的來(lái)說(shuō),要在工作中多總結(jié),多對(duì)比,系統(tǒng)的提升自己在該領(lǐng)域該行業(yè)的CAE分析能力,一言蓋之,知行結(jié)合。

來(lái)源/CAE仿真空間

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