CAE工程師談如何修煉內功【轉發】

2017-12-14 by:CAE仿真在線來源:互聯網

本人既非專家學者,也不是技術大牛,接觸有限元分析是從本科大四專業選修課開始,當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。

鑒于力學知識和數學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,當時用的是ANSYS12.0(經典界面)。這時候被有限元分析技術的強大和分析結果云圖給人視覺上的炫酷沖擊所吸引。當然仍然處于一個知其然不知其所以然的狀態,總之課程結束后仍然處于懵懂中,最多算軟件入門。我想很多人應該跟我有相同經歷。

之后研究生階段,由于機械專業的研究生培養方案導師一般都將有限元選作為必修課程,于是又開始了CAE的學習過程。除了有限元課程,學院還安排了數值分析,優化設計理論,數學物理方法等課程。

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,當然給我們授課是中文。這位老師以形函數切入,到桿單元梁單元,殼單元實體單元等等循序漸進,通過力學推導獲得單元矩陣,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習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,也是個總結和規劃。

隨著數值算法和計算機技術的發展,CAE仿真所能實現的作用越來越大。根據相關資料介紹,波音早已經實現無圖紙設計,所有設計,控制,裝配工藝等等都是通過計算機虛擬完成,應該來說這會是一個趨勢。在這個過程中,CAE技術占據著舉足輕重的作用,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值仿真定性或者定量實現,在物理樣機投產之前確保設計一次性成功,而且性能最優。

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

既然這門技術這么有用,對于像我們這樣的從業人員該如何去提升這塊的技術儲備,并且更好的應用到工程項目中呢?從企業和個人角度來談談自己的看法。

企業

首先是企業,僅從個人感受來說,國內大大小小的制造業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品沒有質的提升,但會給客戶感覺你們還挺高大上,會搞點研發。

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這塊切入產品,干出成績的大企業,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,中間環節我不care。基于此,官方的很多培訓、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難題更多只能自己摸索或者求助網絡。

同時,在小企業中配備的CAE仿真團隊人數也少,很多都是個位數,如此內部也缺乏技術上的交流,當內外部交流都不通暢,對工程師來講會是非常枯燥和壓抑的,見識和技術提升也是非常緩慢的。由此可能導致因分析能力不夠輸出低質量甚至錯誤的分析結果,進而循環對企業技術能力和產品質量并沒有產生多大的促進作用,有可能還導致新問題的產生。

所以企業應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,也應該創造機會讓CAE工程師多出去交流培訓。對大企業而言,人力財力雄厚,那么在內外部雙方面提供這樣的機會,對內引進高層次人才學科帶頭人,建設和帶領CAE團隊不斷前進,把關把方向把質量,在內部設計溝通交流、定期沙龍等機制,也可以不定期邀請專家學者做學術報告,邀請工程經驗豐富的工程師、軟件供應商以及其他類高級供應商來公司進行技術交流,有交流就會有活力有收獲。

外部可以積極拓展同高校、優質咨詢公司、軟件服務公司之間的合作,拓展和整合行業資源,積極提供條件參與行業高端論壇和會議,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,如何在專業上有收獲和積累。作者拙見,可以分幾個階段:

一、基礎夯實

很多企業在招聘CAE分析工程師的時候,一般都會要求碩士及以上學歷,多數是機械或者數學、力學專業,并不是說做這份工作必須得碩士畢業才能勝任,而是體現這個崗位需要一定的學科基礎才能更好的承擔這份工作。

機械類本科生畢業所接觸到的數學知識主要是高等數學、矩陣理論等幾門課程(本科數學、力學專業的我不太了解,這里有描述不全的可以有補充),力學則比較普遍的是理論力學和材料力學,還有振動基礎。此時如果學習有限元理論等知識,就會有很多數學需要額外補充,可能對變分不了解,對高斯積分也不太懂等等此類。而涉及的彈性力學固體力學知識也是了解不夠,這樣學習起來也更為困難,所以學校培養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,因為經歷過對數學(一)的一次復習,對微積分、矩陣的計算和處理都更加熟練和深入,對諸如專業課材料力學之類的掌握都更深入,這對進入研究生階段的課程學習也是非常有用的。

以上這些敘述就是想說明,在理論的學習上,需要比較扎實的數學和力學知識做基礎,這樣就能更好的掌握這個學科(好像廢話)。

數學方面需要對微積分,變分理論,數值計算,矩陣運算,散度、旋度、梯度、高斯定理等等有比較好的學習和理解。力學知識需要基礎的彈性力學、固體力學以及動力學方面的補充,熟悉材料力學的各個概念,理解各個強度理論。如果是涉及別的方向比如熱力學、振動噪聲,則需要對對應領域的基礎方程由來熟悉,對振動方程、模態概念、聲學基本概念、信號處理基本方法、傅里葉變換等做到心中有數。

有了這些基礎數學知識和基礎學科知識的積累和匹配,我們就能更好的進入下一階段的學習和進階。

二、繼續壘磚

有了基礎知識以后,我們在后續的學習中會更加得心應手。接下來我覺得可以邁入對有限元基本理論的全面系統學習階段,這個階段依然是一個儲備。

你可以系統的拿一本書去學習(比如王勖成的《有限單元法》,個人覺得挺不錯的,挺全面),基于第一階段學習的基礎知識,去了解有限元各類單元的推導。在我看來這一階段就是學習如何推導求解方程。從易到難,先是推導桿單元,再到梁單元、殼單元、三維實體單元。學習利用變分原理獲取基本方程弱積分形式,轉化推導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,每個單元幾個節點,每個節點幾個自由度,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。上面是一個籠統的描述,一個基本過程介紹。在這個過程中會涉及到等參數單元使用,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學知識的應用了。

這個階段的學習可以通過自己邊學習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,像曾攀教授編寫的《有限元分析基礎教程》每一張節都給出詳細的MATLAB程序,對學習非常有用。在編程過程中可以結合商用軟件的分析結果做對比,相互補充。

完成上述學習之后,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”,應該有柳暗花明之感。此時可以說已經具備了CAE工程師的基本素質,接下來就是在工作和具體項目中參與設計,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,洋洋灑灑數千言,覺得如何如何做,但要真正做到也挺難,一直在不斷學習和請教中摸爬。但感受還是要寫,道理繼續講。

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

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

所以說,能否正確把工程問題轉為能夠與之匹配的分析模型是實踐中最關鍵的地方。而這塊是急不得的,需要長期的經驗積累,同時要對產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品,知道他怎么工作,如何工作,實際發生了什么,發生過什么,盡可能的看透它,這樣對有關的分析工作才能得心應手。

很多工程師工作個半年一年其實軟件使用已經很熟練,但是仍然在工程問題轉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,盡可能同設計人員、同問題來源者以及同更有經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,結果也能輸出了,又會遇到一個問題,怎么評判結果,這也是非常關鍵的一點。當然在工作中會有遇到單純做一個計算,計算完輸出結果給設計或者其他工程師就行。但更多時候需要CAE工程師輸出結論,行不行?好不好?夠不夠?多久?多長?等等各類結果。如果沒有一個好的評判標準確實無所適從,光憑經驗又不太靠譜,所以也挺糾結。

作者認為到這個時候,需要對行業內常用的標準規范有一定的學習,有標準的嚴格按照標準來評判。對照公司內部的標準和以往數據積累,從商業軟件供應商處獲取一些技術支持等等。行業內標準不夠成熟的借鑒其他成熟行業的標準規范,只有在各種可靠的標準和規范中才能更好的輸出高質量的分析報告。

總的來說,要在工作中多總結,多對比,系統的提升自己在該領域該行業的CAE分析能力,一言蓋之,知行結合。

來源/CAE仿真空間

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