普通人有限元分析入門方法實(shí)際應(yīng)用學(xué)習(xí)篇

1、普通人有限元分析入門方法：實(shí)際應(yīng)用學(xué)習(xí)篇前兩個(gè)部分內(nèi)容寫的只能算是有限元分析應(yīng)用的基礎(chǔ)和前提，這部分所說的內(nèi)容才算是有限元分析應(yīng)用的入門。本身寫這一系列文章的目的就是和大家交流交流什么是有限元分析的應(yīng)用問題，所以這個(gè)部分才是整套系列文章的重點(diǎn)。我這里所說的入門是能夠到企業(yè)能夠做事情，如果以目前大家的熟 悉培訓(xùn)的階段來說，我個(gè)人把有限元分析學(xué)習(xí)的初級階段分為大致這么幾 個(gè)階段：軟件操作階段,理論學(xué)習(xí)階段,應(yīng)用入門階段，干萬注意這三個(gè) 階段是沒有先后學(xué)習(xí)順序的，并不是先學(xué)了軟件操作再學(xué)理論然后才能應(yīng) 用入門，最簡單粗暴也是最直接的方式就是直接應(yīng)用入門，我個(gè)人一直覺 得這才是學(xué)習(xí)技術(shù)最有效的方式我所

2、說的入門階段大致指標(biāo)先說明下：針對某個(gè)分析模塊能夠解決獨(dú)立大多數(shù)不同類型的產(chǎn)品在這個(gè)模塊下的分析問題，比如我們最常接觸的就是靜力學(xué)模塊，那多數(shù)產(chǎn)品的靜力學(xué)問題要會自行獨(dú)立解決，這里特別強(qiáng)調(diào)獨(dú)立，現(xiàn)在很多學(xué)習(xí)者所謂的獨(dú)立也都和我的定義不一樣了，自己能夠去網(wǎng)上問一個(gè)問題等待別人來解答這不叫獨(dú)立，自己查資料自己看幫助在不尋求他人的幫助下解決問題這才叫獨(dú)立；分析出來的產(chǎn)品能夠自行提供切實(shí)有效的驗(yàn)證方案和驗(yàn)證指標(biāo)，并且能夠提供有結(jié)論的分析報(bào)告；有人說以上兩點(diǎn)要求高了，這要怎么實(shí)】，我想說的是以上兩點(diǎn)不是我給大家的標(biāo)準(zhǔn)，而是各位找工作的標(biāo)準(zhǔn)，如果達(dá)不到這兩點(diǎn)，即使在短 期內(nèi)因?yàn)閭€(gè)中原因進(jìn)入了某家優(yōu)質(zhì)企業(yè)，

3、時(shí)間久了也會被掃地出門。我們這個(gè)行業(yè)的大神和學(xué)術(shù)界的精英們一般留在學(xué)校做科研工作，但 是留下的大批學(xué)歷背景一般、專業(yè)背景一般的畢業(yè)生和早已走入社會的工 程人員人是不可能做相關(guān)的科研工作，也就是說絕大多數(shù)人最終是要走進(jìn) 企業(yè)對有限元分析進(jìn)行一線產(chǎn)品的應(yīng)用。從有限元這個(gè)工具被大家所熟知開始，所有的行業(yè)內(nèi)人士都知道這個(gè) 工具可以優(yōu)化與改進(jìn)產(chǎn)品或者設(shè)計(jì)新結(jié)構(gòu)能達(dá)到預(yù)定的效果，但是很多分 析工程師實(shí)際上并不知道怎么去逐步實(shí)現(xiàn)這個(gè)最終價(jià)值，也就是如何將有 限元分析的價(jià)值真正落地。所以首先第一部分我來和大家聊聊在我眼里如 何才能將有限元分析的方案真正落地。我這里首先從一個(gè)典型問題展開說說我們最關(guān)注也是有限元

4、分析應(yīng) 用最終的方向之一：降低成本。某企業(yè)想對自己的產(chǎn)品進(jìn)行重新的優(yōu)化設(shè) 計(jì)，主要目的是想在保證產(chǎn)品合格的情況下降低產(chǎn)品成本，于是找了一位 分析工程師進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，最終分析工程師對其中內(nèi)部一個(gè)主要部件進(jìn)行 了局部的設(shè)計(jì)改進(jìn)，他在工作匯報(bào)總結(jié)上的內(nèi)容大致是：該部件重量下降 20%，因此節(jié)省20%的材料成本，符合項(xiàng)目初期要求。公司領(lǐng)導(dǎo)和下面的 工程師看到這個(gè)設(shè)計(jì)方案之后，非常不滿意，他們之間的爭執(zhí)過程我就不 說了，我就羅列其中的幾個(gè)重點(diǎn)：產(chǎn)品是機(jī)加工件，原始設(shè)計(jì)方案和改進(jìn)后的設(shè)計(jì)方案毛坯的質(zhì)量最多只 相差10% ；產(chǎn)品在實(shí)際加工過程中的工序由原來的 2道工序變成了至少3道；裝配工序多了一道；這個(gè)產(chǎn)

5、品的主要成本排除材料成本之外，表面處理的成本才是大頭，材 料只占這個(gè)部件總成本的40%左右。所以最終優(yōu)化后的總成本其實(shí)根本不用算就知道肯定增加了。我們都常常把有限元分析能夠降低產(chǎn)品成本這件事掛在嘴邊，但是實(shí)際上對于很 多分析人員來說，一提到降成本想到的就是把材料成本降下來，其他的方 面根本就不會考慮，這是非常嚴(yán)重的誤區(qū)。降低成本是一個(gè)系統(tǒng)工程，并 不是如故事中所說的把材料成本降下來就可以解決問題了，此消彼長的道 理在成本核算中是一個(gè)永恒不變的話題，從設(shè)計(jì)成本、采購成本、生產(chǎn)加 工成本、裝配成本、管理成本、運(yùn)輸成本以及后期的維護(hù)成本等等一系列 成本，如果我們想做一個(gè)好的產(chǎn)品，必須對成本進(jìn)行一個(gè)合

6、理的控制，比 如：焊接結(jié)構(gòu)的剛度比螺栓連接的剛度要大很多，這樣同樣的焊接結(jié)構(gòu)的 產(chǎn)品可以比螺栓連接的產(chǎn)品輕一點(diǎn)，那為什么有那么多鋼結(jié)構(gòu)設(shè)備要用螺 栓連接呢？因?yàn)檩p的那部分材料成本會被更高昂的運(yùn)輸成本吃掉，以及未 來可能帶來的維修成本。產(chǎn)品部分位置用M4的螺栓，部分位置用M6的螺栓這樣強(qiáng)度就已經(jīng) 能夠滿足要求，但是為什么最后成品都用了M6的螺栓呢？僅僅是因?yàn)榘踩紤]的么？一般情況下第二種方案（全部使用M6螺栓）的采購成本、庫管成本、加工成本以及售后維護(hù)成本都低很多。一根軸通過有限元分析發(fā)現(xiàn)直徑在 26-30mm的某個(gè)區(qū)域內(nèi)性能會 比較好，但是在實(shí)際生產(chǎn)中如果是模具加工那我們就從 26mm設(shè)計(jì)開始

7、， 但是機(jī)加工就要從30mm設(shè)計(jì)開始，這個(gè)就是考慮產(chǎn)品的修復(fù)問題。這類問題其實(shí)非常多，筆者見識有限，只能舉這幾個(gè)典型且易于理解 的小例子，實(shí)際情況只要去仔細(xì)研究下企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的整套流程，自然就能 明白個(gè)中原因。但是通過以上的例子其實(shí)我想說明的一個(gè)情況：目前我們 很多分析工程師視角太過狹隘，對產(chǎn)品的了解嚴(yán)重缺乏，導(dǎo)致改進(jìn)之后的 產(chǎn)品在生產(chǎn)裝配或者維修等各方面存在明顯缺陷。所以說到怎么才能將分析方案落地，其實(shí)最需要的就是對企業(yè)產(chǎn)品各 階段的了解，其實(shí)我個(gè)人多年感受是只有對產(chǎn)品進(jìn)行深入的了解之后，結(jié) 合有限元分析的工具才能將有限元分析的價(jià)值體現(xiàn)出來。CAE這個(gè)名字其實(shí)說的非常好，計(jì)算機(jī)輔助工程，既然是

8、輔助，它的技能地位其實(shí)已經(jīng)說 得非常明白，原則上不能作為一個(gè)獨(dú)立的技能存在，有限元分析作為CAE的一個(gè)分支，自然也不例外。但是目前有一部分搞分析的同行研究生或者 博士畢業(yè)，出來后本質(zhì)上看不上搞設(shè)計(jì)的工作，盡量疏遠(yuǎn)這個(gè)方向，保持 自己一個(gè)高大上的形象，這一想法恰恰會限制了很多分析工程人員后期的 提升和發(fā)展（這部分內(nèi)容我將在第四部分內(nèi)容中講述）。上面的內(nèi)容是和大家交流下分析工程師在企業(yè)應(yīng)用的比較高級的目 標(biāo)，算是工程人員成長的一個(gè)比較高級的目標(biāo)，離目前多數(shù)新手距離較遠(yuǎn)， 只能作為一個(gè)長期的發(fā)展方向，而實(shí)際上多數(shù)新手在一開始遇到的困擾主 要存在于一個(gè)大問題：我們分析結(jié)果的對錯(cuò)誰來告訴我們？目前很多學(xué)

9、習(xí) 者能夠做的事就是依靠市面上的教材，天然默認(rèn)教材里的分析結(jié)果就是正 確的，然后通過教材結(jié)果和自己的練習(xí)結(jié)果進(jìn)行對比， 對上了就是正確的， 對不上就是錯(cuò)誤的，其實(shí)這個(gè)做法是錯(cuò)誤且沒有意義的，在有限元分析中 有一個(gè)很重要的技能培養(yǎng)就是后處理結(jié)果的驗(yàn)證，我不討論教材書上的結(jié) 果是否正確，但是現(xiàn)實(shí)問題中并沒有一個(gè)答案會直接給你去做各種云圖對 比，所以通過軟件操作教材或者絕大多數(shù)的書籍，后處理結(jié)果驗(yàn)證這項(xiàng)能 力新手是沒法去學(xué)習(xí)和掌握的，而后處理結(jié)果驗(yàn)證的能力又恰恰是直接關(guān) 系到整個(gè)分析是否能夠連接到實(shí)際應(yīng)用最重要一步，可以說是有限元分析 應(yīng)用最難也是最重要的能力。所以對于工程師來說如何去有效地掌握后處

10、 理結(jié)果的驗(yàn)證才是真正分析能夠?qū)W好的關(guān)鍵。所以接下來我們來說說怎么 去學(xué)習(xí)培養(yǎng)分析工程師這部分的技能。驗(yàn)證一般有兩種方式，一種是理論結(jié)果和仿真結(jié)果的驗(yàn)證，一種是試 驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果的驗(yàn)證，前者是傳統(tǒng)理論經(jīng)驗(yàn)公式和更先進(jìn)的理論計(jì)算 方法的對比，而后者代表著理論和現(xiàn)實(shí)的對比，這兩種驗(yàn)證方式均有著不 同的學(xué)習(xí)重點(diǎn)。但是無論是哪種驗(yàn)證方式，學(xué)習(xí)掌握的難度都非常大，我 在我的有限元教學(xué)視頻里或者一些文章中經(jīng)常會說到一些現(xiàn)實(shí)的邊界條件 問題，比如：多數(shù)涉及到螺栓孔的問題簡化無條件設(shè)置為約束或者焊接；鋼結(jié)構(gòu)分析加重力的邊界條件去和試驗(yàn)變形結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證；不論任何 形狀的物體，只要是上面放置一個(gè)物體都簡化為

11、均布載荷 多年來我接觸過一些論文或者資料教程，其實(shí)模型邊界條件這件事我 個(gè)人的感受是有非常多的一部分資料是不符合真實(shí)工況的，在那些邊界條 件下如果去和試驗(yàn)或者理論作對比，差距都會非常大，所以我覺得對邊界 條件的敏感度訓(xùn)練是分析做好的第一步。何為邊界條件的敏感度，現(xiàn)實(shí)的 邊界條件無法完全還原到有限元分析，于是有以下幾點(diǎn)是我們需要在做分 析問題的時(shí)候注意的：目前建立的數(shù)學(xué)模型邊界條件中哪些是真實(shí)邊界條件的準(zhǔn)確反映，哪些是簡化過的邊界條件，比如之前提到的螺栓固定載荷均布都是做過簡化 的邊界條件；簡化后的邊界條件到底對結(jié)果的影響是什么，和試驗(yàn)或者理論結(jié)果做對 比是產(chǎn)生了正誤差還是負(fù)誤差；當(dāng)結(jié)果出現(xiàn)較大

12、偏差的時(shí)候，能否分析出來是否是我們的邊界條件簡化 產(chǎn)生了問題。這里我要重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)一件事情，所有的邊界條件并沒有所謂的簡化規(guī)則，一切都是通過分析真實(shí)的物理情況做出的判斷。（請大家在未來的學(xué)習(xí)中 牢牢記住，很多時(shí)候分析的錯(cuò)誤往往都是那些你自以為完全正確的邊界條件，而你認(rèn)為正確的原因恰恰只是別人都這么簡化）那邊界條件的敏感度訓(xùn)練該如何去做，其實(shí)非常簡單：材料力學(xué)教程。材料力學(xué)書上那些理論計(jì)算的例子其實(shí)對于新手來說并不簡單，有的一定 要對稱才能解，有的必須對計(jì)算結(jié)果做一些轉(zhuǎn)化處理才能把有限元分析結(jié) 果和理論計(jì)算結(jié)果對上，尤其是材料力學(xué)大量使用桿梁單元，對約束及自 由度的理解非常有幫助。我個(gè)人覺得材料力學(xué)

13、上的例子作為有限元分析應(yīng) 用入門的第一步是很不錯(cuò)的選擇。不僅可以提升學(xué)習(xí)效率，同時(shí)學(xué)習(xí)材料 力學(xué)、軟件操作，材料力學(xué)的理論計(jì)算結(jié)果也省去了很多分析之后驗(yàn)證的 麻煩。而且我在一開始的理論學(xué)習(xí)篇里說到過，多數(shù)實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式都 是材料力學(xué)的公式衍伸，鋼結(jié)構(gòu)手冊、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊都是如此，所以 如果你能夠通過材料力學(xué)的那些例子把基本問題搞清楚，實(shí)際應(yīng)用問題中 和理論結(jié)果對比這件事應(yīng)該就不會難倒你。如果想再深入學(xué)習(xí)（接下來的 藍(lán)色這一段并不針對所有的群體，但是我個(gè)人體會是復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)問題的處我建理非常鍛煉分析工程師的能力，無論你從事任何行業(yè)的分析應(yīng)用）， 議可以通過鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)的計(jì)算案例進(jìn)一步加強(qiáng)自身

14、能力，實(shí)際鋼結(jié)構(gòu) 中大量桿梁單元和殼單元的結(jié)合不僅鍛煉模型處理能力，還能訓(xùn)練工程師 的耐心，而即使再復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)模型一旦簡化成梁殼單元之后，多數(shù)電腦 都能夠承受模型的計(jì)算量。其實(shí)模型的邊界條件能夠準(zhǔn)確還原，那仿真結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果的對比就不存在太多的問題（有人這里會問，網(wǎng)格呢，網(wǎng)格怎么辦？現(xiàn)有的有 限元分析軟件智能化程度已經(jīng)非常高了，只要網(wǎng)格的密度設(shè)置合理，計(jì)算 精度都能夠得到保證，而這個(gè)設(shè)置現(xiàn)有的軟件一般就只要設(shè)置網(wǎng)格的整體 尺寸大小，隨著未來的發(fā)展，網(wǎng)格一定不會成為學(xué)習(xí)的阻礙，所以如果你現(xiàn)在還在花時(shí)間學(xué)習(xí)網(wǎng)格劃分，那是需要好好掂掂這是否劃算的問題） 而對于仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對比這件事，既理

15、論計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品的試 驗(yàn)結(jié)果的對比該如何學(xué)習(xí)呢？其實(shí)絕大多數(shù)人員經(jīng)常接觸這個(gè)問題，只是 始終沒辦法想通這其中的相同之處。很多人時(shí)常會問一個(gè)很有意思的問題: 分析都是理想化的，那我們做出來的產(chǎn)品和理想化產(chǎn)品都是有差異的，這 事我們在分析的時(shí)候怎么處理呢？有這個(gè)疑問或者被這個(gè)疑問曾經(jīng)問倒過 的朋友們都來想想下面這個(gè)問題：我們在用傳統(tǒng)的理論經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)手段時(shí)，帶入到計(jì)算中的參數(shù)好像也是理想化參數(shù)，鐵的密度都是用7800千克/立方米，鋼的彈性模量都是用2.1e5MPa等等，這個(gè)時(shí)候絕大多數(shù)人好像并 不計(jì)較材料參數(shù)或者經(jīng)驗(yàn)公式所算出來的結(jié)果和真實(shí)試驗(yàn)結(jié)果的誤差，這 是為什么呢？其實(shí)在之前的理論學(xué)習(xí)篇中我

16、提到過一類教材，可能很多人 是有疑問的：試驗(yàn)設(shè)計(jì)和概率統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)學(xué)其實(shí)就是連接理論和真實(shí)世界 的橋梁，而有限元分析絕大多數(shù)時(shí)候只是讓我們的理論設(shè)計(jì)階段比原來的 傳統(tǒng)計(jì)算方法更加準(zhǔn)確有效，它本身根本無法解決理論和現(xiàn)實(shí)世界的差距 問題，必須借助別的知識體系進(jìn)行幫忙，而這些體系其實(shí)和我們傳統(tǒng)設(shè)計(jì) 方法應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，誤差消除的方式是一模一樣的，所以這些東西去問問 傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)工程師們他們是怎么做的，其實(shí)本質(zhì)上運(yùn)用的都是概率統(tǒng)計(jì)學(xué) 的一些知識。最后一個(gè)階段，就是真正走進(jìn)企業(yè)，坐在產(chǎn)品相關(guān)檢測試驗(yàn)設(shè)備前，運(yùn)用相應(yīng)的試驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)相關(guān)的試驗(yàn)驗(yàn)證方法（最典型的就是應(yīng)力應(yīng)變儀）這個(gè)過程不同的企業(yè)試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)方法都

17、略有不同，實(shí)際情況也千差萬 別，完全需要根據(jù)企業(yè)的實(shí)際情況做出合理的方案規(guī)劃，這里同樣有一個(gè) 非常難的問題總是困擾新手：我這個(gè)分析該用什么分析模塊？這個(gè)難題其 實(shí)我個(gè)人已經(jīng)推薦了一套非常好的學(xué)習(xí)資料，就是GJB150的那套試驗(yàn)方案（不知道這套試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的翻之前我的公眾號分享記錄），只是我從來沒 說這套材料除了學(xué)習(xí)試驗(yàn)本身之外對有限元分析有什么幫助，如果能夠把 那套試驗(yàn)方案里的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)分別對應(yīng)到相應(yīng)的有限元分析模塊，其實(shí)多數(shù) 行業(yè)的分析模塊選擇將不再是一個(gè)難題。說到這里，其實(shí)學(xué)習(xí)的部分差不多都講完了，我想可以把前三部分的 內(nèi)容做一個(gè)總結(jié)。前三個(gè)部分從理論學(xué)習(xí)、軟件操作學(xué)習(xí)以及切入到實(shí)際 應(yīng)用的學(xué)習(xí)

18、三塊內(nèi)容，基本涵蓋了新手從學(xué)習(xí)有限元分析基礎(chǔ)到有限元分 析能夠應(yīng)用的整個(gè)初級階段，這三塊內(nèi)容掌握并應(yīng)用到實(shí)際我想對于普通 人來說應(yīng)該是至少需要3年時(shí)間，接下來我對三塊內(nèi)容做一個(gè)整體的羅列， 大家可以根據(jù)以下幾點(diǎn)的提示重新去回憶各章節(jié)內(nèi)容：初次接觸有限元分析，首先把軟件操作、網(wǎng)格劃分這些純操作練習(xí)做 系統(tǒng)學(xué)習(xí)，這些知識將貫穿在整個(gè)學(xué)習(xí)過程中，所以初期階段保守估計(jì)1-2 個(gè)月時(shí)間持續(xù)學(xué)習(xí)，后期在不斷地學(xué)習(xí)過程中進(jìn)一步加強(qiáng)，期間主要把軟 件操作教程看明白；彌補(bǔ)理論知識中各自的不足，找一本難度適中的涉及有限單元法教材 以及材料力學(xué)、試驗(yàn)與概率統(tǒng)計(jì)教材，在學(xué)習(xí)這三門知識體系的同時(shí)針對 性彌補(bǔ)高等數(shù)學(xué)，線性代數(shù)的相關(guān)知識，在此基礎(chǔ)上可以掌握振動和疲勞2|這兩塊的知識，該部分內(nèi)容根據(jù)學(xué)習(xí)者實(shí)際情況的不同略有差異，基本上 所有學(xué)習(xí)者需要2年左右的時(shí)間能夠基本掌握，該階段的學(xué)習(xí)非常重要， 不論是否學(xué)習(xí)有限元分析，只要從事制造業(yè)相關(guān)行業(yè)，非標(biāo)設(shè)計(jì)、鋼結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)、汽車行業(yè)的相關(guān)設(shè)計(jì)都會有極大幫助；充分利用現(xiàn)場條件學(xué)習(xí)和機(jī)械設(shè)計(jì)相關(guān)的知識體系，最好產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、 生產(chǎn)、裝配到檢測一系列流程的了解，該階段對于有限元分析的應(yīng)用非常 重要，不可輕視。該階段的學(xué)習(xí)估計(jì)時(shí)間將在3個(gè)月到6