CAE工程師談如何修煉內(nèi)功【轉(zhuǎn)發(fā)】

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

本人既非專家學(xué)者,也不是技術(shù)大牛,接觸有限元分析是從本科大四專業(yè)選修課開始,當(dāng)時聽了各個選修課老師的課程介紹以后,覺得有限元分析挺有用,于是就無畏的選了這門課程。

鑒于力學(xué)知識和數(shù)學(xué)知識有限也沒有課后下功夫,整個處于聽天書階段,直到老師開始講授演示軟件的使用才有所熱情和投入,當(dāng)時用的是ANSYS12.0(經(jīng)典界面)。這時候被有限元分析技術(shù)的強大和分析結(jié)果云圖給人視覺上的炫酷沖擊所吸引。當(dāng)然仍然處于一個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。我想很多人應(yīng)該跟我有相同經(jīng)歷。

之后研究生階段,由于機械專業(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,于是又開始了CAE的學(xué)習(xí)過程。除了有限元課程,學(xué)院還安排了數(shù)值分析,優(yōu)化設(shè)計理論,數(shù)學(xué)物理方法等課程。

很幸運此時有限元課程的老師講的特別好,而且因為需要面向國際類學(xué)生,有校際合作項目,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,到桿單元梁單元,殼單元實體單元等等循序漸進,通過力學(xué)推導(dǎo)獲得單元矩陣,再到矩陣組裝,高斯積分,面積法計算等等一步步給我們講解,確實對基礎(chǔ)的理論知識有更好的掌握,可以說所有理論都源自于這個老師,所以我個人體會是學(xué)習(xí)過程中的思路和授課老師非常重要。

說了這么多題外話,我們回歸主題,單純從一個CAE從業(yè)工程師角度來闡述這樣一個話題,對作者本人而言,也是個總結(jié)和規(guī)劃。

隨著數(shù)值算法和計算機技術(shù)的發(fā)展,CAE仿真所能實現(xiàn)的作用越來越大。根據(jù)相關(guān)資料介紹,波音早已經(jīng)實現(xiàn)無圖紙設(shè)計,所有設(shè)計,控制,裝配工藝等等都是通過計算機虛擬完成,應(yīng)該來說這會是一個趨勢。在這個過程中,CAE技術(shù)占據(jù)著舉足輕重的作用,諸如強度校核,疲勞壽命,電磁熱,流體分析,振動噪聲等都可以通過數(shù)值仿真定性或者定量實現(xiàn),在物理樣機投產(chǎn)之前確保設(shè)計一次性成功,而且性能最優(yōu)。

如今像在航空航天,汽車制造等領(lǐng)域都投入了大量人力財力,幾乎所有的航天院所,主機廠研發(fā)中心都有百十幾百號人,可見大家對這一領(lǐng)域的認可和共識。

既然這門技術(shù)這么有用,對于像我們這樣的從業(yè)人員該如何去提升這塊的技術(shù)儲備,并且更好的應(yīng)用到工程項目中呢?從企業(yè)和個人角度來談?wù)勛约旱目捶ā?/span>

企業(yè)

首先是企業(yè),僅從個人感受來說,國內(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,無論是背著用盜版軟件還是購買官方軟件模塊,總之大家有這樣的感受,即便我做這個可能對公司產(chǎn)品沒有質(zhì)的提升,但會給客戶感覺你們還挺高大上,會搞點研發(fā)。

但這里面有一些矛盾,正版軟件一般來說投入都非常的大,除非是有心要在CAE這塊切入產(chǎn)品,干出成績的大企業(yè),否則很少有購買的,既然有盜版可以用我為什么要花這個錢。老總看的是賬本,中間環(huán)節(jié)我不care?；诖?官方的很多培訓(xùn)、會議和客戶支持是無法享受到的,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,在小企業(yè)中配備的CAE仿真團隊人數(shù)也少,很多都是個位數(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,對工程師來講會是非?？菰锖蛪阂值?見識和技術(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)量甚至錯誤的分析結(jié)果,進而循環(huán)對企業(yè)技術(shù)能力和產(chǎn)品質(zhì)量并沒有產(chǎn)生多大的促進作用,有可能還導(dǎo)致新問題的產(chǎn)生。

所以企業(yè)應(yīng)該提供更多的機會讓工程師走出去,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)造機會讓CAE工程師多出去交流培訓(xùn)。對大企業(yè)而言,人力財力雄厚,那么在內(nèi)外部雙方面提供這樣的機會,對內(nèi)引進高層次人才學(xué)科帶頭人,建設(shè)和帶領(lǐng)CAE團隊不斷前進,把關(guān)把方向把質(zhì)量,在內(nèi)部設(shè)計溝通交流、定期沙龍等機制,也可以不定期邀請專家學(xué)者做學(xué)術(shù)報告,邀請工程經(jīng)驗豐富的工程師、軟件供應(yīng)商以及其他類高級供應(yīng)商來公司進行技術(shù)交流,有交流就會有活力有收獲。

外部可以積極拓展同高校、優(yōu)質(zhì)咨詢公司、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)高端論壇和會議,讓工程師有地方走出去,走出去有方向。

個人

對于我們這一段位的工程師,如何在專業(yè)上有收獲和積累。作者拙見,可以分幾個階段:

一、基礎(chǔ)夯實

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

機械類本科生畢業(yè)所接觸到的數(shù)學(xué)知識主要是高等數(shù)學(xué)、矩陣理論等幾門課程(本科數(shù)學(xué)、力學(xué)專業(yè)的我不太了解,這里有描述不全的可以有補充),力學(xué)則比較普遍的是理論力學(xué)和材料力學(xué),還有振動基礎(chǔ)。此時如果學(xué)習(xí)有限元理論等知識,就會有很多數(shù)學(xué)需要額外補充,可能對變分不了解,對高斯積分也不太懂等等此類。而涉及的彈性力學(xué)固體力學(xué)知識也是了解不夠,這樣學(xué)習(xí)起來也更為困難,所以學(xué)校培養(yǎng)計劃也沒有這一項要求。

還有個原因,大部分通過考試進入研究生階段的同學(xué),因為經(jīng)歷過對數(shù)學(xué)(一)的一次復(fù)習(xí),對微積分、矩陣的計算和處理都更加熟練和深入,對諸如專業(yè)課材料力學(xué)之類的掌握都更深入,這對進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明,在理論的學(xué)習(xí)上,需要比較扎實的數(shù)學(xué)和力學(xué)知識做基礎(chǔ),這樣就能更好的掌握這個學(xué)科(好像廢話)。

數(shù)學(xué)方面需要對微積分,變分理論,數(shù)值計算,矩陣運算,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)知識需要基礎(chǔ)的彈性力學(xué)、固體力學(xué)以及動力學(xué)方面的補充,熟悉材料力學(xué)的各個概念,理解各個強度理論。如果是涉及別的方向比如熱力學(xué)、振動噪聲,則需要對對應(yīng)領(lǐng)域的基礎(chǔ)方程由來熟悉,對振動方程、模態(tài)概念、聲學(xué)基本概念、信號處理基本方法、傅里葉變換等做到心中有數(shù)。

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

二、繼續(xù)壘磚

有了基礎(chǔ)知識以后,我們在后續(xù)的學(xué)習(xí)中會更加得心應(yīng)手。接下來我覺得可以邁入對有限元基本理論的全面系統(tǒng)學(xué)習(xí)階段,這個階段依然是一個儲備。

你可以系統(tǒng)的拿一本書去學(xué)習(xí)(比如王勖成的《有限單元法》,個人覺得挺不錯的,挺全面),基于第一階段學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)知識,去了解有限元各類單元的推導(dǎo)。在我看來這一階段就是學(xué)習(xí)如何推導(dǎo)求解方程。從易到難,先是推導(dǎo)桿單元,再到梁單元、殼單元、三維實體單元。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,每個單元幾個節(jié)點,每個節(jié)點幾個自由度,確定單元矩陣大小,計算出單元矩陣,通過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。上面是一個籠統(tǒng)的描述,一個基本過程介紹。在這個過程中會涉及到等參數(shù)單元使用,雅格比矩陣計算,面積法體積法hammer積分,高斯積分使用等等。深入復(fù)雜的還可能針對矩陣組裝算法做研究,這里涉及的就更多是數(shù)學(xué)知識的應(yīng)用了。

這個階段的學(xué)習(xí)可以通過自己邊學(xué)習(xí)邊手動編程來加深理解,加深對知識的熟悉,如用MATLAB、C語言等編程實現(xiàn),像曾攀教授編寫的《有限元分析基礎(chǔ)教程》每一張節(jié)都給出詳細的MATLAB程序,對學(xué)習(xí)非常有用。在編程過程中可以結(jié)合商用軟件的分析結(jié)果做對比,相互補充。

完成上述學(xué)習(xí)之后,對有限元可以說是有了比較清晰的認識,借用那句話叫“驀然回首,那人卻在燈火闌珊處”,應(yīng)該有柳暗花明之感。此時可以說已經(jīng)具備了CAE工程師的基本素質(zhì),接下來就是在工作和具體項目中參與設(shè)計,解決工程問題。

三、實踐出真知

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

有了理論基礎(chǔ),我們需要用理論去解決問題,首先是對商業(yè)軟件的使用上。這塊入門挺簡單,無論是ABAQUS、ANSYS、Hypermesh等都很好入門,網(wǎng)上很多教程,但要用好以及用到某個問題中來卻是需要經(jīng)驗和技術(shù)。

實際工程問題的難點在于基于現(xiàn)有的技術(shù)建立與問題匹配的模型,這里面包括幾何模型應(yīng)該如何建立如何簡化,模型的邊界條件怎么添加,邊界問題的處理關(guān)系到CAE分析結(jié)果的準確性和指導(dǎo)性,所以至關(guān)重要。同時如果有實驗對標需要考慮實驗如何匹配你設(shè)置的邊界,相互補充。

所以說,能否正確把工程問題轉(zhuǎn)為能夠與之匹配的分析模型是實踐中最關(guān)鍵的地方。而這塊是急不得的,需要長期的經(jīng)驗積累,同時要對產(chǎn)品有深入的了解和熟悉度。換句話說,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,實際發(fā)生了什么,發(fā)生過什么,盡可能的看透它,這樣對有關(guān)的分析工作才能得心應(yīng)手。

很多工程師工作個半年一年其實軟件使用已經(jīng)很熟練,但是仍然在工程問題轉(zhuǎn)化到模型分析中會有很多問題,容易考慮欠周全,包括我自己也是。所以在處理問題時候如果條件允許,盡可能同設(shè)計人員、同問題來源者以及同更有經(jīng)驗的團隊成員多溝通,詳細聽取他們的意見,從而比較全面的去完成工作。

會分析會建模,結(jié)果也能輸出了,又會遇到一個問題,怎么評判結(jié)果,這也是非常關(guān)鍵的一點。當(dāng)然在工作中會有遇到單純做一個計算,計算完輸出結(jié)果給設(shè)計或者其他工程師就行。但更多時候需要CAE工程師輸出結(jié)論,行不行?好不好?夠不夠?多久?多長?等等各類結(jié)果。如果沒有一個好的評判標準確實無所適從,光憑經(jīng)驗又不太靠譜,所以也挺糾結(jié)。

作者認為到這個時候,需要對行業(yè)內(nèi)常用的標準規(guī)范有一定的學(xué)習(xí),有標準的嚴格按照標準來評判。對照公司內(nèi)部的標準和以往數(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)標準不夠成熟的借鑒其他成熟行業(yè)的標準規(guī)范,只有在各種可靠的標準和規(guī)范中才能更好的輸出高質(zhì)量的分析報告。

總的來說,要在工作中多總結(jié),多對比,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。

來源/CAE仿真空間

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