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，下文所指有限元分析將特指結(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，因此有很多初學(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，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，才能最終向設(shè)計(jì)和生產(chǎn)部門提供可靠的建議和意見。 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（軟件廠商會(huì)說(shuō)分析流程常常是：建模-前處理-求解-后處理，這個(gè)流程僅僅是上述流程上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，此節(jié)點(diǎn)并不比其它節(jié)點(diǎn)更重要）

    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。前面提到的三個(gè)方面的技能和經(jīng)驗(yàn)是如何在流程中體現(xiàn)出來(lái)的呢？在整個(gè)流程中應(yīng)該注意一些什么關(guān)鍵問(wèn)題呢？

    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。并非所有接到的結(jié)構(gòu)問(wèn)題都是需要進(jìn)一步有限元分析的，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)劃時(shí)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)。

    下一期我將更詳細(xì)的談?wù)勛鳛橐粋�(gè)合格的分析工程師在應(yīng)該具備的理論知識(shí)，同時(shí)介紹一些通用的工程經(jīng)驗(yàn)。

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