劉笑天：我來扯一扯我學有限元的經(jīng)驗吧【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結構工程高級應用》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,其一般專注于計算能力的革新,而操作界面相對一般的應用軟件如騰訊公司的“QQ”,非常不人性化,尤其是語言問題。學習它對于提高解決問題的能力,是個全面的提升過程。它是一個很難學習的軟件,因而對學習者提出了很高的要求。

一方面,就力學分析應用而言,需要用戶具有比較扎實的理論基礎,以對分析的結果有一個準確的預測和判斷?？梢哉f,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軟件是計算數(shù)學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)常遇到很多錯誤,深厚的理論基礎有利于理解,并解決錯誤。實際上,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,在具體學習ANSYS軟件操作前,必須先學習各種理論基礎,加深對有限元算法以及各種基本概念的理解。力學專業(yè)轉(zhuǎn)投有限元工作時,雖然其力學理論很多,但是由于沒有實際經(jīng)驗,很多概念的理解,僅停留在一個符號的認識上,理論認識不夠,更沒有感性認識;而結構工程師轉(zhuǎn)投有限元時,更會感覺到理論知識的匱乏。

在進行有限元分析時,需要對相關參數(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)值進行計算,用戶需要十分小心的確定輸入的數(shù)字與輸出的結果之間的單位制問題,這非常容易出錯。此類問題在Workbench平臺中,得到了根本性的解決。也許學習ANSYS時,以前的力學基礎都忘記了,尤其對于結果的分析,需要用到各種理論知識的積累,并依據(jù)有關標準和技術規(guī)格書的要求進行評定。

對于迫切需要解決實際工程問題的結構工程師(Engineer)而言,單獨翻看繁復晦澀的理論知識的效率實在低下。筆者的建議是:用2個星期的時間粗略翻看《材料力學》、《金屬的力學性能》、《工程力學》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公式;然后找到《全國勘察設計注冊一級結構工程師》的輔導書,中常規(guī)結構計算的案例。其中會有各種根據(jù)設計標準的公式,編寫的典型結構,如一個單純受均布荷載的梁或單純受到均布壓縮荷載的柱的設計計算流程。

由于這些都是工程計算方法,比《材料力學》等理論書籍中的公式更為簡化,易于理解。再找到GB50009《建筑荷載設計規(guī)范》與GB50017《鋼結構設計規(guī)范》的最新版,根據(jù)輔導書中的典型案例,對應GB50009和GB50017等標準中的最新公式手工計算。由于輔導書中的是現(xiàn)成的計算流程,遇到類似問題時可以類比對照,能以最簡單,最快速的方法理解結構計算的基本流程。

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

遇到動力學問題可參考《振動理論》、《實驗模態(tài)分析》等基礎知識。由于模態(tài)分析技術是所有動力學分析的基礎知識,必須首先掌握它,而后參考更有針對性的專業(yè)手冊。

基本是三步學習法:剛剛了解理論基礎時,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;最后以需求帶動學習,針對目前所需解決的問題,詳盡參考有關知識,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,對解決該問題所需要的方法和思路以及所需的各種知識,進行分解和列舉,直至捋順出解決問題的整體路線,會深刻的困擾初學者。

在理論計算方法中,不同參數(shù)是如何影響結構性能的,是非常直觀的,可以從根本上杜絕盲目改進的錯誤。更重要的是,通過手工計算,可以更深刻的理解影響結構力學性能的核心參數(shù)與設計思路,然后再用類似思路學習有限元理論,將工程計算的簡化方法與理論計算的近似解析解相互對比,從而跨越性的獲得全局知識體系。當然,為了更好的解決實際問題,需要深刻的學習理論知識、軟件操作、熟悉有關設計標準、工程投標與設計經(jīng)驗。

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

筆者就職于重工業(yè)企業(yè)設計崗位。很多時候是根據(jù)技術規(guī)格書的規(guī)定以及有關設計標準的要求進行工程設計,相對比較容易做到標準化與規(guī)范化。生活中的行為準則是法律,設計上的規(guī)則就是標準。熟悉設計標準,對于優(yōu)化設計流程與思路具有重要的指導意義。

“真正的”工程師是對設計標準非常熟悉的,而剛剛畢業(yè)的研究生則是對論文熟悉的,兩者知識體系的差別,也會慢慢的在實際工作中有所體現(xiàn)。另外,各種標準中雖然介紹了很多具體的計算方法,但是它不是理論手冊,僅僅是個工程設計方法的介紹與規(guī)定。很多設計方法隱含的理論知識以及設計方案的權衡是無法體現(xiàn)的,這時就需要用戶大量的搜集有關理論與方法的資料。翻看某某標準對應的《某某標準釋義》,可以從另一個角度了解此標準所提出的要求的來龍去脈。

類似的,在壓力容器設計行業(yè),可以翻看GB150-2012《鋼制壓力容器》,JB/t4732-1995(2005確認)《鋼制壓力容器-分析設計規(guī)范》等標準。再找到對應的標準釋義與計算手冊。思路一樣,根據(jù)計算手冊的典型例題對應最新標準的公式與要求進行手工設計計算。

隨著時間的推移,工程設計標準會有更新和替換,但是工程技術是既有繼承性又有循環(huán)性的。所謂繼承性就是連續(xù)性,不同時期的技術標準、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)一次就會上升一個臺階,往往又伴隨著更深入的認識和進步。面對這種螺旋式上升,波浪式發(fā)展的過程,站在“螺旋”的對面,可能就會看到不斷循環(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。站在巨人的肩膀上,就可以看的更高更遠。

在涉及到復雜的非線性問題時(幾何非線性、材料非線性、接觸非線性等)。一方面,不同的問題對應著不同的數(shù)值計算方法,那么求解器的選取和各種參數(shù)的設置情況,就直接關系到程序的計算代價和是否能解決問題;另一方面,需要對非線性求解過程比較了解,知道程序的求解是如何實現(xiàn)的。只有這樣才會對評價計算的結果,尤其是解決各種錯誤提供依據(jù)。對于可能的情況,能簡化成線性行為的分析,就盡量不要用非線性算法計算。

ANSYS是基于有限單元法與現(xiàn)代數(shù)值計算方法發(fā)展而來的,因此適當了解《計算方法》很重要。還有《計算固體力學》也需要了解,因為ANSYS對非線性問題的處理就是基于此書中提到的復雜理論。

對于設計師而言,更偏向工程實踐,要求簡單快速;對于有限元分析師,要求理論深厚,靈活求解。一個合適的工程設計有限元分析師,應能將這兩項要求有機的結合起來解決工程問題。

建模能力是個重要的能力。解決實際工程問題時,往往物理模型復雜、龐大,而有限元模型的建立需要大量的時間與精力。一般而言,在單次的分析過程中,有50%-80%的時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構的前提下,盡量簡化模型,以方便建立高質(zhì)量的有限元模型。所以,拿到一個復雜的真實產(chǎn)品模型時,應將對求解問題影響不大的局部零件和細節(jié)結構刪除或合并,降低模型復雜程度,而后考慮適當分割模型,以利于劃分高質(zhì)量的網(wǎng)格。當然,在應力集中區(qū)域,任何半徑的倒角都是有利的,應予以保留。

高效率的建立出一個高質(zhì)量、具有代表性、滿足精度和求解時間要求與計算機求解能力等要求的有限元模型,對于后續(xù)的求解過程十分重要。求解一個不負責任的有限元模型,往往帶來無限的錯誤。

對于建模能力,筆者的觀點是,由于有限元軟件的前處理部分,一般是科學家為了解決工程問題和科學問題而開發(fā)的,計算能力是需要優(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平臺的推出,其能與各種大型三維機械設計軟件,如、SW、UG、PRO/E、CATIA等建立的三維模型進行無縫連接。

這些軟件具有:界面人性化(代表著軟件界面設計的先進生產(chǎn)力)、操作簡單(三維設計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;設計的精髓是改圖)、功能強大(各種復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(比如功能極其強大的Catia非常很適合數(shù)十萬零件級的巨大產(chǎn)品設計、工廠全廠設計、復雜曲面建模、虛擬加工、3D掃描逆向工程等;PRO/E適合各種模具的設計;汽車等行業(yè)的復雜曲面常用UG建立;SW適合基本的簡單機械的設計,而其界面人性化程度是這四個軟件中最好的)等特點。

對于分析人員,實體模型的建立,建議用3個月時間學習一款最方便其使用的三維機械設計軟件。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。建立實體模型是生成三維的精確有限元模型的基礎,高質(zhì)量的有限元模型又是保證計算精度、速度和結果正確性的基礎。

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

復雜形狀的模型,都需要分割成多個相對簡單形狀的“分塊”后,才可以劃分出高質(zhì)量的網(wǎng)格。很多時候,對模型剖分的思路與方法,更多的是憑借著用戶的經(jīng)驗。一些常見的結構剖分方法,可以用一些相對標準化的思路進行剖切。

ANSYS Workbench平臺DM模塊的建模思想與三維機械設計軟件有個很大的不同,就是零件裝配關系的設置。在DM模塊中,多個零件互相的位置關系是單件建模時,將特征數(shù)據(jù)合并到單件內(nèi)。而機械設計軟件(如SoildWorks),一般將裝配關系單獨列到整體特征樹,單獨選擇零件,可以觀察到與其有關的所有配合關系,在修改模型時會比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。

大部分公司設計的產(chǎn)品,大體的結構、機構形式很有限,不用太長時間就能掌握。但是要把東西設計好,好多細節(jié)的地方就需要理論與經(jīng)驗的結合,對原來的結構進行改進。對于工程師而言,出圖是次要的事情,那是設計師的職責。

學機械出身的人,看一眼裝配圖或者去現(xiàn)場實習一下,基本就掌握了將來所計算的實物重點在什么地方和比較關注的部位。這就是為什么有那么多的“山寨”產(chǎn)品。

但是隨著接觸時間增多,可能力學的基礎知識,會對結構認識的更深刻,往往不同專業(yè)的人思維方式是不同的。比如,對于同樣一個軸上的卸載槽,機械的可能更關注機械設計手冊給多少尺寸,就是這么定的;而學力學的可能就像為什么這么定,是不是能從數(shù)學模型和力學模型上給出準確的推導。

所以,一般一個公司研究數(shù)值模擬和選型計算的部門,會招一半學機械的和一半學力學的。兩部分人在一起從不同側(cè)面討論,這樣計算出的結構才會更好。

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

QQ是個即時通訊軟件,很多相對簡單的問題可以得到快速的解決。但是復雜問題,專業(yè)性很強的各種有限元論壇,還是不錯的交流平臺,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。語言問題對于從業(yè)已久的工程師而言可能是個大問題,很多人強烈的希望獲得翻譯版的ANSYS軟件。筆者認為,作為初學者,看到滿屏幕的英文也許非常困難。但是熟練以后就會發(fā)現(xiàn),其實常用的功能涉及到的單詞不超過1000個,而且很多操作習慣后,會記住有關圖標,了解用途即可。

現(xiàn)在,翻譯軟件也很豐富,筆者推薦兩個:一個是臺灣人編寫的叫做《譯點通》;另一個是中國編寫的《林格斯》。幾個月后,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械設計軟件,如SW、PRO/E、UG、Catia等,也以插件的形式擴展了有限元模擬軟件,其大多操作極其人性化,一般設計人員可在一個月內(nèi)具備基本的分析計算能力。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。從大學教授到其學生,再到大型企業(yè)和研究機構等,基本都是從經(jīng)典版開始接觸的。用戶群基數(shù)巨大,對軟件的了解與使用都很深入,對經(jīng)典平臺界面的依賴性,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的公司,會考慮Workbench平臺。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。因為,其翻譯不一定準確,而不同用戶交流起來,一個說中文詞匯,一個說英文,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,進行二次開發(fā)的翻譯工作,請放棄ANSYS。

針對初學者,除了上面講到的翻閱標準和尋找典型例題學習外,對于軟件操作,可找到ANSYS Workbench平臺的官方教材,根據(jù)教材講解順序逐步練習。

Workbench平臺在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。

學會如何搜集和積累各種資料,也是一種學習能力。在學習的任何階段,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。搜集時應先解決數(shù)量問題,全面翻閱后,然后考慮質(zhì)量和內(nèi)涵問題。自學的過程是艱苦和孤獨的,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。最低應找到很對12.0版的Workbench教材學習,會比較有利。然后建立一些簡單的模型,具有針對性的練習,對單一模塊和單一功能的操作。這樣減少計算規(guī)模,也減少出錯。夠相對靈活的掌握操作知識的時候,就更需要參考其他人的經(jīng)驗與技術了。多借鑒成功經(jīng)驗與技巧有利于少走彎路。有機會的話,可以多看看專業(yè)機構出具的實際產(chǎn)品的分析報告。雖然其不一定能很詳細的介紹求解設置,但是其可以提供一個基本思路的有利參考。

當一個個實際問題被解決、一個個操作技巧被掌握、一個個ERROR被消除、一天天累計的個人努力被越來越多的認可,這種成就感,會讓人感到非常幸福的。

人的記憶力是有限的,軟件操作是個熟練工種,需要多次的練習與重復的操作以便掌握。有些操作也許不經(jīng)常使用,定期的單獨練習一下,有利于鞏固記憶。

做工程的,最忌諱把設計搞的太復雜,能簡單就要簡單。越簡單,越可靠(墨菲法則)。無論如何,軟件僅僅是一個機械化的根據(jù)用戶指令進行運行的計算工具,其本身沒有判斷指令的合理性與正確性的能力,,不能代替一個充滿知識與經(jīng)驗的頭腦,軟件只是能讓問題的解決更有效率而已。評判一個有限元工程師的真實水平,應看他或她脫離了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平臺的跨越,以及ANSYS公司對CFX軟件的深刻整合等。尤其是一些高端三維機械設計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,使得初學者也能完成很多方面的分析工作。而價格上,SolidWorks軟件的結構有限元分析插件大約15萬人民幣,類似的ANSYS機械設計模塊則約為15萬美元,相對要低廉的很多。這就帶來一個問題,為什么還要學習理論知識呢?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計工況,了解有限元軟件的性能、軟件求解方式與假設和局限性、數(shù)據(jù)輸入的方式和在分析的全階段檢查,并避免各種錯誤,才能可能得出可靠的結果。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)容和這些選項的內(nèi)涵,分析者將會非常被動。最簡單的現(xiàn)象是,算錯了都不知道是怎么錯的。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算,而得出結論性結果。應該具備相關的理論計算基礎與經(jīng)驗,以期驗證計算的正確性,以及擁有一個正確修改設計方案的思路與方法。針對相對簡單的模型或工況,很多相關的設計標準與手冊,都可以給出簡化的手工計算方法。

2. 由于個人理解與實踐經(jīng)驗的不同,即使在相同的設計條件下,不同人的計算結果也可能會不盡相同。故而,要得到一個盡可能可靠的數(shù)值結果,還需要多人間的獨立分析,綜合評定分析結果,以盡量排除人為因素。另外,由于數(shù)值分析的各種假設與算法的限制,其結果與真解之間,幾乎永遠有差別。一個可靠的結果,還需要與實驗值的交叉驗證與證明,才足夠可信。甚至有時候只有實驗值才是可信的。

3. 現(xiàn)在,越來越多的結構工程師希望在解決問題時,只需區(qū)分類型和條件,讓軟件自動生成必要的數(shù)學模型,完成復雜而重復的分析和設計過程。最后,由制圖工具完成生產(chǎn)圖和施工圖。在這種環(huán)境中,結構工程師唯一的責任,就是明確所要解決的問題,然后評價最后的設計“結果”。

這種設計思路注定是災難性的。讓計算機成為知識、經(jīng)驗和思維的替代品,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算機程序,就可以“解決”工程問題了,而沒有認識到高質(zhì)量的設計,只能是由淵博的工程理論知識和大量的經(jīng)驗以及艱辛的腦力勞動相結合的產(chǎn)物。有什么辦法才能使工程界,改變過分依賴計算機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知識的前提下,謹慎的考慮。

作為一個合格的有限元工作者,應當具備以下素質(zhì):對復雜問題的建模簡化與特征等效;軟件的操作技巧、計算結果的評價能力、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平臺中,執(zhí)行絕大多數(shù)操作后,一般都不能實現(xiàn)在常用應用軟件中,已普遍擁有的倒退和撤銷功能。就像人生沒有彩排一樣,用戶必須時刻記住所有的操作,隨時保存隨時備份,以防止因操作錯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。

最好有一個專門的記事本,隨時記錄已經(jīng)完成的操作和關鍵數(shù)據(jù)的輸入情況,當計算出現(xiàn)錯誤時,這將是排查錯誤原因的重要依據(jù)。

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