劉笑天：我來扯一扯我學(xué)有限元的經(jīng)驗(yàn)吧【轉(zhuǎn)發(fā)】

2017-02-12 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

本文援引自本人新書《ANSYSWorbench結(jié)構(gòu)工程高級(jí)應(yīng)用》一書的第二章,中國水利水電出版社出版現(xiàn)已在各渠道上市發(fā)行。

數(shù)值模擬分析軟件是解決特殊需求的軟件,其一般專注于計(jì)算能力的革新,而操作界面相對(duì)一般的應(yīng)用軟件如騰訊公司的“QQ”,非常不人性化,尤其是語言問題。學(xué)習(xí)它對(duì)于提高解決問題的能力,是個(gè)全面的提升過程。它是一個(gè)很難學(xué)習(xí)的軟件,因而對(duì)學(xué)習(xí)者提出了很高的要求。

一方面,就力學(xué)分析應(yīng)用而言,需要用戶具有比較扎實(shí)的理論基礎(chǔ),以對(duì)分析的結(jié)果有一個(gè)準(zhǔn)確的預(yù)測和判斷。可以說,用戶的理論水平,直接決定了ANSYS軟件的使用水平;另一方面,通過不斷嘗試以熟練操作,可以提高解決問題的效率。

ANSYS軟件是計(jì)算數(shù)學(xué)與有限元理論的軟件化,不理解其模擬過程,一方面無法深入理解如何將實(shí)際問題轉(zhuǎn)換成軟件可以理解的形式;另一方面,軟件使用過程中經(jīng)常遇到很多錯(cuò)誤,深厚的理論基礎(chǔ)有利于理解,并解決錯(cuò)誤。實(shí)際上,筆者在使用ANSYS軟件中的很大部分精力,都是在解決各種“ERROR”。

所以,在具體學(xué)習(xí)ANSYS軟件操作前,必須先學(xué)習(xí)各種理論基礎(chǔ),加深對(duì)有限元算法以及各種基本概念的理解。力學(xué)專業(yè)轉(zhuǎn)投有限元工作時(shí),雖然其力學(xué)理論很多,但是由于沒有實(shí)際經(jīng)驗(yàn),很多概念的理解,僅停留在一個(gè)符號(hào)的認(rèn)識(shí)上,理論認(rèn)識(shí)不夠,更沒有感性認(rèn)識(shí);而結(jié)構(gòu)工程師轉(zhuǎn)投有限元時(shí),更會(huì)感覺到理論知識(shí)的匱乏。

在進(jìn)行有限元分析時(shí),需要對(duì)相關(guān)參數(shù)的數(shù)值有清晰的了解。尤其是經(jīng)典版中,由于其沒有統(tǒng)一的單位制,軟件僅僅根據(jù)數(shù)字的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算,用戶需要十分小心的確定輸入的數(shù)字與輸出的結(jié)果之間的單位制問題,這非常容易出錯(cuò)。此類問題在Workbench平臺(tái)中,得到了根本性的解決。也許學(xué)習(xí)ANSYS時(shí),以前的力學(xué)基礎(chǔ)都忘記了,尤其對(duì)于結(jié)果的分析,需要用到各種理論知識(shí)的積累,并依據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)格書的要求進(jìn)行評(píng)定。

對(duì)于迫切需要解決實(shí)際工程問題的結(jié)構(gòu)工程師(Engineer)而言,單獨(dú)翻看繁復(fù)晦澀的理論知識(shí)的效率實(shí)在低下。筆者的建議是:用2個(gè)星期的時(shí)間粗略翻看《材料力學(xué)》、《金屬的力學(xué)性能》、《工程力學(xué)》等基本理論,了解核心原理與概念。

看的速度越快越好,只看大概框架,不要看里面的任何一個(gè)公式;然后找到《全國勘察設(shè)計(jì)注冊(cè)一級(jí)結(jié)構(gòu)工程師》的輔導(dǎo)書,中常規(guī)結(jié)構(gòu)計(jì)算的案例。其中會(huì)有各種根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的公式,編寫的典型結(jié)構(gòu),如一個(gè)單純受均布荷載的梁或單純受到均布?jí)嚎s荷載的柱的設(shè)計(jì)計(jì)算流程。

由于這些都是工程計(jì)算方法,比《材料力學(xué)》等理論書籍中的公式更為簡化,易于理解。再找到GB50009《建筑荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》與GB50017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的最新版,根據(jù)輔導(dǎo)書中的典型案例,對(duì)應(yīng)GB50009和GB50017等標(biāo)準(zhǔn)中的最新公式手工計(jì)算。由于輔導(dǎo)書中的是現(xiàn)成的計(jì)算流程,遇到類似問題時(shí)可以類比對(duì)照,能以最簡單,最快速的方法理解結(jié)構(gòu)計(jì)算的基本流程。

掌握流程即是對(duì)問題的一種分解,了解解決問題所需要的方法和不同方法間的邏輯關(guān)系,而后經(jīng)過對(duì)問題的再次分解,而掌握解決問題所需的更詳細(xì)更廣泛的關(guān)鍵點(diǎn),逐個(gè)解決關(guān)鍵點(diǎn),從而為解決整體問題提供合理的方向性指導(dǎo)。

遇到動(dòng)力學(xué)問題可參考《振動(dòng)理論》、《實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析》等基礎(chǔ)知識(shí)。由于模態(tài)分析技術(shù)是所有動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)知識(shí),必須首先掌握它,而后參考更有針對(duì)性的專業(yè)手冊(cè)。

基本是三步學(xué)習(xí)法:剛剛了解理論基礎(chǔ)時(shí),用最快的速度,概略性的將理論的框架掌握,既第一步需要的是速度;而后詳細(xì)翻閱具體理論的思路、概念、方法和適用條件等,既第二步需要的是廣度;最后以需求帶動(dòng)學(xué)習(xí),針對(duì)目前所需解決的問題,詳盡參考有關(guān)知識(shí),既第三步要做到深度。而根據(jù)問題的初始狀態(tài)和最終目標(biāo),對(duì)解決該問題所需要的方法和思路以及所需的各種知識(shí),進(jìn)行分解和列舉,直至捋順出解決問題的整體路線,會(huì)深刻的困擾初學(xué)者。

在理論計(jì)算方法中,不同參數(shù)是如何影響結(jié)構(gòu)性能的,是非常直觀的,可以從根本上杜絕盲目改進(jìn)的錯(cuò)誤。更重要的是,通過手工計(jì)算,可以更深刻的理解影響結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的核心參數(shù)與設(shè)計(jì)思路,然后再用類似思路學(xué)習(xí)有限元理論,將工程計(jì)算的簡化方法與理論計(jì)算的近似解析解相互對(duì)比,從而跨越性的獲得全局知識(shí)體系。當(dāng)然,為了更好的解決實(shí)際問題,需要深刻的學(xué)習(xí)理論知識(shí)、軟件操作、熟悉有關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、工程投標(biāo)與設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

這是一個(gè)反復(fù)的從理論到實(shí)際再到理論的轉(zhuǎn)換過程。但是每次轉(zhuǎn)換,用戶的整體水平,都會(huì)有一個(gè)較大幅度的提升。

筆者就職于重工業(yè)企業(yè)設(shè)計(jì)崗位。很多時(shí)候是根據(jù)技術(shù)規(guī)格書的規(guī)定以及有關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行工程設(shè)計(jì),相對(duì)比較容易做到標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化。生活中的行為準(zhǔn)則是法律,設(shè)計(jì)上的規(guī)則就是標(biāo)準(zhǔn)。熟悉設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)于優(yōu)化設(shè)計(jì)流程與思路具有重要的指導(dǎo)意義。

“真正的”工程師是對(duì)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)非常熟悉的,而剛剛畢業(yè)的研究生則是對(duì)論文熟悉的,兩者知識(shí)體系的差別,也會(huì)慢慢的在實(shí)際工作中有所體現(xiàn)。另外,各種標(biāo)準(zhǔn)中雖然介紹了很多具體的計(jì)算方法,但是它不是理論手冊(cè),僅僅是個(gè)工程設(shè)計(jì)方法的介紹與規(guī)定。很多設(shè)計(jì)方法隱含的理論知識(shí)以及設(shè)計(jì)方案的權(quán)衡是無法體現(xiàn)的,這時(shí)就需要用戶大量的搜集有關(guān)理論與方法的資料。翻看某某標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的《某某標(biāo)準(zhǔn)釋義》,可以從另一個(gè)角度了解此標(biāo)準(zhǔn)所提出的要求的來龍去脈。

類似的,在壓力容器設(shè)計(jì)行業(yè),可以翻看GB150-2012《鋼制壓力容器》,JB/t4732-1995(2005確認(rèn))《鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)。再找到對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)釋義與計(jì)算手冊(cè)。思路一樣,根據(jù)計(jì)算手冊(cè)的典型例題對(duì)應(yīng)最新標(biāo)準(zhǔn)的公式與要求進(jìn)行手工設(shè)計(jì)計(jì)算。

隨著時(shí)間的推移,工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)會(huì)有更新和替換,但是工程技術(shù)是既有繼承性又有循環(huán)性的。所謂繼承性就是連續(xù)性,不同時(shí)期的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)、方案等有著內(nèi)在的聯(lián)系;所謂循環(huán)性代表螺旋式上升,每循環(huán)一次就會(huì)上升一個(gè)臺(tái)階,往往又伴隨著更深入的認(rèn)識(shí)和進(jìn)步。面對(duì)這種螺旋式上升,波浪式發(fā)展的過程,站在“螺旋”的對(duì)面,可能就會(huì)看到不斷循環(huán)的回轉(zhuǎn);站在“螺旋”的側(cè)面,就可能看見一條正弦曲線;而站在“螺旋”的軸側(cè)方向,則可能看到這條曲線的全面,從而把握事物的整體特點(diǎn)。站在巨人的肩膀上,就可以看的更高更遠(yuǎn)。

在涉及到復(fù)雜的非線性問題時(shí)(幾何非線性、材料非線性、接觸非線性等)。一方面,不同的問題對(duì)應(yīng)著不同的數(shù)值計(jì)算方法,那么求解器的選取和各種參數(shù)的設(shè)置情況,就直接關(guān)系到程序的計(jì)算代價(jià)和是否能解決問題;另一方面,需要對(duì)非線性求解過程比較了解,知道程序的求解是如何實(shí)現(xiàn)的。只有這樣才會(huì)對(duì)評(píng)價(jià)計(jì)算的結(jié)果,尤其是解決各種錯(cuò)誤提供依據(jù)。對(duì)于可能的情況,能簡化成線性行為的分析,就盡量不要用非線性算法計(jì)算。

ANSYS是基于有限單元法與現(xiàn)代數(shù)值計(jì)算方法發(fā)展而來的,因此適當(dāng)了解《計(jì)算方法》很重要。還有《計(jì)算固體力學(xué)》也需要了解,因?yàn)锳NSYS對(duì)非線性問題的處理就是基于此書中提到的復(fù)雜理論。

對(duì)于設(shè)計(jì)師而言,更偏向工程實(shí)踐,要求簡單快速;對(duì)于有限元分析師,要求理論深厚,靈活求解。一個(gè)合適的工程設(shè)計(jì)有限元分析師,應(yīng)能將這兩項(xiàng)要求有機(jī)的結(jié)合起來解決工程問題。

建模能力是個(gè)重要的能力。解決實(shí)際工程問題時(shí),往往物理模型復(fù)雜、龐大,而有限元模型的建立需要大量的時(shí)間與精力。一般而言,在單次的分析過程中,有50%-80%的時(shí)間用來建立合適的有限元模型。如汽車碰撞用有限元模型的建模工作量一般為3人/年。

有限元模型的建立思路與產(chǎn)品模型不同,其要求在不改變基本結(jié)構(gòu)的前提下,盡量簡化模型,以方便建立高質(zhì)量的有限元模型。所以,拿到一個(gè)復(fù)雜的真實(shí)產(chǎn)品模型時(shí),應(yīng)將對(duì)求解問題影響不大的局部零件和細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)刪除或合并,降低模型復(fù)雜程度,而后考慮適當(dāng)分割模型,以利于劃分高質(zhì)量的網(wǎng)格。當(dāng)然,在應(yīng)力集中區(qū)域,任何半徑的倒角都是有利的,應(yīng)予以保留。

高效率的建立出一個(gè)高質(zhì)量、具有代表性、滿足精度和求解時(shí)間要求與計(jì)算機(jī)求解能力等要求的有限元模型,對(duì)于后續(xù)的求解過程十分重要。求解一個(gè)不負(fù)責(zé)任的有限元模型,往往帶來無限的錯(cuò)誤。

對(duì)于建模能力,筆者的觀點(diǎn)是,由于有限元軟件的前處理部分,一般是科學(xué)家為了解決工程問題和科學(xué)問題而開發(fā)的,計(jì)算能力是需要優(yōu)先解決的問題,而前處理能力往往不擅長。隨著有限元軟件的發(fā)展尤其是Workbnch15.0平臺(tái)的推出,其能與各種大型三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件,如、SW、UG、PRO/E、CATIA等建立的三維模型進(jìn)行無縫連接。

這些軟件具有:界面人性化(代表著軟件界面設(shè)計(jì)的先進(jìn)生產(chǎn)力)、操作簡單(三維設(shè)計(jì)的人員一般沒有專職有限元分析人員那么高深的有限元理論知識(shí);設(shè)計(jì)的精髓是改圖)、功能強(qiáng)大(各種復(fù)雜的模型建立與出具工程圖)、用戶群廣泛(遇到軟件問題可以有很多人能幫助解決)、專業(yè)化(比如功能極其強(qiáng)大的Catia非常很適合數(shù)十萬零件級(jí)的巨大產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工廠全廠設(shè)計(jì)、復(fù)雜曲面建模、虛擬加工、3D掃描逆向工程等;PRO/E適合各種模具的設(shè)計(jì);汽車等行業(yè)的復(fù)雜曲面常用UG建立;SW適合基本的簡單機(jī)械的設(shè)計(jì),而其界面人性化程度是這四個(gè)軟件中最好的)等特點(diǎn)。

對(duì)于分析人員,實(shí)體模型的建立,建議用3個(gè)月時(shí)間學(xué)習(xí)一款最方便其使用的三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件。這樣也能更快速的為劃分高質(zhì)量網(wǎng)格,切割出合適的物理模型,盡最大可能的提升建模效率。建立實(shí)體模型是生成三維的精確有限元模型的基礎(chǔ),高質(zhì)量的有限元模型又是保證計(jì)算精度、速度和結(jié)果正確性的基礎(chǔ)。

建模能力的培養(yǎng)需要大量的練習(xí)。一個(gè)好的建模思想與習(xí)慣有利于提高效率。比如多個(gè)不規(guī)則鈑金件組成的模型,用多零件單獨(dú)建模,并組成裝配體會(huì)非常復(fù)雜,可以考慮用放樣再抽殼的方法就極其容易了。

復(fù)雜形狀的模型,都需要分割成多個(gè)相對(duì)簡單形狀的“分塊”后,才可以劃分出高質(zhì)量的網(wǎng)格。很多時(shí)候,對(duì)模型剖分的思路與方法,更多的是憑借著用戶的經(jīng)驗(yàn)。一些常見的結(jié)構(gòu)剖分方法,可以用一些相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化的思路進(jìn)行剖切。

ANSYS Workbench平臺(tái)DM模塊的建模思想與三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件有個(gè)很大的不同,就是零件裝配關(guān)系的設(shè)置。在DM模塊中,多個(gè)零件互相的位置關(guān)系是單件建模時(shí),將特征數(shù)據(jù)合并到單件內(nèi)。而機(jī)械設(shè)計(jì)軟件(如SoildWorks),一般將裝配關(guān)系單獨(dú)列到整體特征樹,單獨(dú)選擇零件,可以觀察到與其有關(guān)的所有配合關(guān)系,在修改模型時(shí)會(huì)比DM的鑲套整合的思路更加高效直觀。這些都是DM模塊沒有的人性化功能。

大部分公司設(shè)計(jì)的產(chǎn)品,大體的結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)形式很有限,不用太長時(shí)間就能掌握。但是要把東西設(shè)計(jì)好,好多細(xì)節(jié)的地方就需要理論與經(jīng)驗(yàn)的結(jié)合,對(duì)原來的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。對(duì)于工程師而言,出圖是次要的事情,那是設(shè)計(jì)師的職責(zé)。

學(xué)機(jī)械出身的人,看一眼裝配圖或者去現(xiàn)場實(shí)習(xí)一下,基本就掌握了將來所計(jì)算的實(shí)物重點(diǎn)在什么地方和比較關(guān)注的部位。這就是為什么有那么多的“山寨”產(chǎn)品。

但是隨著接觸時(shí)間增多,可能力學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí),會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)的更深刻,往往不同專業(yè)的人思維方式是不同的。比如,對(duì)于同樣一個(gè)軸上的卸載槽,機(jī)械的可能更關(guān)注機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)給多少尺寸,就是這么定的;而學(xué)力學(xué)的可能就像為什么這么定,是不是能從數(shù)學(xué)模型和力學(xué)模型上給出準(zhǔn)確的推導(dǎo)。

所以,一般一個(gè)公司研究數(shù)值模擬和選型計(jì)算的部門,會(huì)招一半學(xué)機(jī)械的和一半學(xué)力學(xué)的。兩部分人在一起從不同側(cè)面討論,這樣計(jì)算出的結(jié)構(gòu)才會(huì)更好。

閉門造車總是讓人非常郁悶。筆者剛剛接觸有限元時(shí),在所就職的部門中,只有筆者了解有限元理論(還是完全從零學(xué)起的哪種)。資料有限、無人交流、理論匱乏曾深刻的限制了學(xué)習(xí)效率。直到筆者開始以QQ群為平臺(tái),參與大家的交流,這個(gè)局面才逐漸轉(zhuǎn)變。QQ群是個(gè)方便的交流平臺(tái),筆者先后加入過約80個(gè)有限元類的QQ群。在與大家的討論中擴(kuò)展了知識(shí)面、認(rèn)識(shí)到了很多朋友、學(xué)習(xí)到了大量的經(jīng)驗(yàn)技巧,收獲豐多。在此感謝所有網(wǎng)友給予的幫助與支持。

QQ是個(gè)即時(shí)通訊軟件,很多相對(duì)簡單的問題可以得到快速的解決。但是復(fù)雜問題,專業(yè)性很強(qiáng)的各種有限元論壇,還是不錯(cuò)的交流平臺(tái),比如傲雪、百思、CAE論壇、聲振論壇、仿真論壇和中華論壇等。

由于ANSYS軟件創(chuàng)立44年來沒有官方的中文版,僅有英、法、德、日版。語言問題對(duì)于從業(yè)已久的工程師而言可能是個(gè)大問題,很多人強(qiáng)烈的希望獲得翻譯版的ANSYS軟件。筆者認(rèn)為,作為初學(xué)者,看到滿屏幕的英文也許非常困難。但是熟練以后就會(huì)發(fā)現(xiàn),其實(shí)常用的功能涉及到的單詞不超過1000個(gè),而且很多操作習(xí)慣后,會(huì)記住有關(guān)圖標(biāo),了解用途即可。

現(xiàn)在,翻譯軟件也很豐富,筆者推薦兩個(gè):一個(gè)是臺(tái)灣人編寫的叫做《譯點(diǎn)通》;另一個(gè)是中國編寫的《林格斯》。幾個(gè)月后,語言問題就不再是最主要的障礙了。

也可以考慮更改程序變量后,成為“中文版”的ABAQUS軟件,最新版是6-14;或者剛剛被AUTODESK公司收購的Simulation2014,此軟件有官方中文版;以及各種高端三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件,如SW、PRO/E、UG、Catia等,也以插件的形式擴(kuò)展了有限元模擬軟件,其大多操作極其人性化,一般設(shè)計(jì)人員可在一個(gè)月內(nèi)具備基本的分析計(jì)算能力。但其精度與功能上與MSC、ABAQUS、LS-DYNA、ANSYS、CFX、Fluent等略遜。

漢化版的ANSYS軟件,筆者領(lǐng)略過經(jīng)典版的10.0和12.1和經(jīng)過二次開發(fā)的12.1Workbench。雖然ANSYS的Workbench平臺(tái)從,7.0版就已出現(xiàn)(至今已有十年的歷史),但是畢竟ANSYS是90年代進(jìn)入中國,經(jīng)典版的用戶群已經(jīng)有20年的深厚積淀。從大學(xué)教授到其學(xué)生,再到大型企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)等,基本都是從經(jīng)典版開始接觸的。用戶群基數(shù)巨大,對(duì)軟件的了解與使用都很深入,對(duì)經(jīng)典平臺(tái)界面的依賴性,也可以說使用的慣性很大。

一般來說,剛剛開始接觸有限元的年輕人和追求最新技術(shù)的公司,會(huì)考慮Workbench平臺(tái)。其用戶群小,也造成軟件教程不多。雖然教程有限和語言受限,但是筆者依然不建議嘗試翻譯版的ANSYS Workbench軟件。因?yàn)?其翻譯不一定準(zhǔn)確,而不同用戶交流起來,一個(gè)說中文詞匯,一個(gè)說英文,容易有溝通障礙。

如果一直被語言問題所嚇倒,并且沒有條件投入巨資,進(jìn)行二次開發(fā)的翻譯工作,請(qǐng)放棄ANSYS。

針對(duì)初學(xué)者,除了上面講到的翻閱標(biāo)準(zhǔn)和尋找典型例題學(xué)習(xí)外,對(duì)于軟件操作,可找到ANSYS Workbench平臺(tái)的官方教材,根據(jù)教材講解順序逐步練習(xí)。

Workbench平臺(tái)在7.0-11.0之間的操作界面幾乎一致,12.0-15.0幾乎一致,近似版本間,操作變化不大。

學(xué)會(huì)如何搜集和積累各種資料,也是一種學(xué)習(xí)能力。在學(xué)習(xí)的任何階段,都需要大量的資料支撐。用戶必須在盡可能想的到的,盡可能所有的渠道,搜集盡可能多的資料后,通過翻閱和篩選,找到相對(duì)更適合自己的部分,加以鉆研并嘗試掌握。淘寶、QQ群、百度文庫、新浪愛問、各種網(wǎng)盤、專業(yè)論壇、同事等都是很好的資料源。搜集時(shí)應(yīng)先解決數(shù)量問題,全面翻閱后,然后考慮質(zhì)量和內(nèi)涵問題。自學(xué)的過程是艱苦和孤獨(dú)的,好的方法不過是少走彎路而已。

有些操作以前需要插入命令流,在新版中可以直接圖形化操作等,如子模型分析。最低應(yīng)找到很對(duì)12.0版的Workbench教材學(xué)習(xí),會(huì)比較有利。然后建立一些簡單的模型,具有針對(duì)性的練習(xí),對(duì)單一模塊和單一功能的操作。這樣減少計(jì)算規(guī)模,也減少出錯(cuò)。夠相對(duì)靈活的掌握操作知識(shí)的時(shí)候,就更需要參考其他人的經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)了。多借鑒成功經(jīng)驗(yàn)與技巧有利于少走彎路。有機(jī)會(huì)的話,可以多看看專業(yè)機(jī)構(gòu)出具的實(shí)際產(chǎn)品的分析報(bào)告。雖然其不一定能很詳細(xì)的介紹求解設(shè)置,但是其可以提供一個(gè)基本思路的有利參考。

當(dāng)一個(gè)個(gè)實(shí)際問題被解決、一個(gè)個(gè)操作技巧被掌握、一個(gè)個(gè)ERROR被消除、一天天累計(jì)的個(gè)人努力被越來越多的認(rèn)可,這種成就感,會(huì)讓人感到非常幸福的。

人的記憶力是有限的,軟件操作是個(gè)熟練工種,需要多次的練習(xí)與重復(fù)的操作以便掌握。有些操作也許不經(jīng)常使用,定期的單獨(dú)練習(xí)一下,有利于鞏固記憶。

做工程的,最忌諱把設(shè)計(jì)搞的太復(fù)雜,能簡單就要簡單。越簡單,越可靠(墨菲法則)。無論如何,軟件僅僅是一個(gè)機(jī)械化的根據(jù)用戶指令進(jìn)行運(yùn)行的計(jì)算工具,其本身沒有判斷指令的合理性與正確性的能力,,不能代替一個(gè)充滿知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)的頭腦,軟件只是能讓問題的解決更有效率而已。評(píng)判一個(gè)有限元工程師的真實(shí)水平,應(yīng)看他或她脫離了ANSYS軟件后,還能做哪些工作。

隨著有限元技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了越來越多,越來越精確的單元以及更廣泛的分析功能和更人性化的操作方式。比如ANSYS從經(jīng)典版到Workbench平臺(tái)的跨越,以及ANSYS公司對(duì)CFX軟件的深刻整合等。尤其是一些高端三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件的有限元分析插件,它們的圖形界面和操作非常人性化,極其簡單易懂,使得初學(xué)者也能完成很多方面的分析工作。而價(jià)格上,SolidWorks軟件的結(jié)構(gòu)有限元分析插件大約15萬人民幣,類似的ANSYS機(jī)械設(shè)計(jì)模塊則約為15萬美元,相對(duì)要低廉的很多。這就帶來一個(gè)問題,為什么還要學(xué)習(xí)理論知識(shí)呢?筆者提出一些建議與感想:

1. 只有分析者理解了需要解決的問題,知道應(yīng)該如何建模、如何簡化、如何選擇合適的單元與邊界條件和算法去等效模擬設(shè)計(jì)工況,了解有限元軟件的性能、軟件求解方式與假設(shè)和局限性、數(shù)據(jù)輸入的方式和在分析的全階段檢查,并避免各種錯(cuò)誤,才能可能得出可靠的結(jié)果。商業(yè)軟件只提供給用戶前后處理操作和執(zhí)行文件,其源程序?qū)τ谟脩羰呛谙蛔?這樣,分析者將面對(duì)許多選擇和困惑。若不理解有限元的基本概念、程序包含的內(nèi)容和這些選項(xiàng)的內(nèi)涵,分析者將會(huì)非常被動(dòng)。最簡單的現(xiàn)象是,算錯(cuò)了都不知道是怎么錯(cuò)的。因此,有限元工程師,必須理解有限元分析的基本概念。

分析者不能完全依賴軟件計(jì)算,而得出結(jié)論性結(jié)果。應(yīng)該具備相關(guān)的理論計(jì)算基礎(chǔ)與經(jīng)驗(yàn),以期驗(yàn)證計(jì)算的正確性,以及擁有一個(gè)正確修改設(shè)計(jì)方案的思路與方法。針對(duì)相對(duì)簡單的模型或工況,很多相關(guān)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與手冊(cè),都可以給出簡化的手工計(jì)算方法。

2. 由于個(gè)人理解與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的不同,即使在相同的設(shè)計(jì)條件下,不同人的計(jì)算結(jié)果也可能會(huì)不盡相同。故而,要得到一個(gè)盡可能可靠的數(shù)值結(jié)果,還需要多人間的獨(dú)立分析,綜合評(píng)定分析結(jié)果,以盡量排除人為因素。另外,由于數(shù)值分析的各種假設(shè)與算法的限制,其結(jié)果與真解之間,幾乎永遠(yuǎn)有差別。一個(gè)可靠的結(jié)果,還需要與實(shí)驗(yàn)值的交叉驗(yàn)證與證明,才足夠可信。甚至有時(shí)候只有實(shí)驗(yàn)值才是可信的。

3. 現(xiàn)在,越來越多的結(jié)構(gòu)工程師希望在解決問題時(shí),只需區(qū)分類型和條件,讓軟件自動(dòng)生成必要的數(shù)學(xué)模型,完成復(fù)雜而重復(fù)的分析和設(shè)計(jì)過程。最后,由制圖工具完成生產(chǎn)圖和施工圖。在這種環(huán)境中,結(jié)構(gòu)工程師唯一的責(zé)任,就是明確所要解決的問題,然后評(píng)價(jià)最后的設(shè)計(jì)“結(jié)果”。

這種設(shè)計(jì)思路注定是災(zāi)難性的。讓計(jì)算機(jī)成為知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和思維的替代品,這是非常令人不安的。這使人們相信,他們僅僅簡單地依靠計(jì)算機(jī)程序,就可以“解決”工程問題了,而沒有認(rèn)識(shí)到高質(zhì)量的設(shè)計(jì),只能是由淵博的工程理論知識(shí)和大量的經(jīng)驗(yàn)以及艱辛的腦力勞動(dòng)相結(jié)合的產(chǎn)物。有什么辦法才能使工程界,改變過分依賴計(jì)算機(jī)軟件的情況不再濫用?這沒有簡單的答案,需要用戶在掌握大量基礎(chǔ)知識(shí)的前提下,謹(jǐn)慎的考慮。

作為一個(gè)合格的有限元工作者,應(yīng)當(dāng)具備以下素質(zhì):對(duì)復(fù)雜問題的建模簡化與特征等效;軟件的操作技巧、計(jì)算結(jié)果的評(píng)價(jià)能力、工程問題的研究能力、誤差控制能力等。

另外,由于有限單元算法本質(zhì)上的原因,在ANSYS Workbench平臺(tái)中,執(zhí)行絕大多數(shù)操作后,一般都不能實(shí)現(xiàn)在常用應(yīng)用軟件中,已普遍擁有的倒退和撤銷功能。就像人生沒有彩排一樣,用戶必須時(shí)刻記住所有的操作,隨時(shí)保存隨時(shí)備份,以防止因操作錯(cuò)誤或者求解失敗后的前功盡棄與推倒重來。有限元就是現(xiàn)場直播。

最好有一個(gè)專門的記事本,隨時(shí)記錄已經(jīng)完成的操作和關(guān)鍵數(shù)據(jù)的輸入情況,當(dāng)計(jì)算出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí),這將是排查錯(cuò)誤原因的重要依據(jù)。

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