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    我来扯一扯我学有限元的经验吧

    建筑结构与桥梁公路隧道监测检测2021-09-18 12:06:16

    本文援引自本人新书《ANSYSWorbench结构工程高级应用》一书的第二章,中国水利水电出版社出版现已在各渠道上市发行。


    数值模拟分析软件是解决特殊需求的软件,其一般专注于计算能力的革新,而操作界面相对一般的应用软件如腾讯公司的“QQ”,非常不人性化,尤其是语言问题。学习它对于提高解决问题的能力,是个全面的提升过程。它是一个很难学习的软件,因而对学习者提出了很高的要求。


    一方面,就力学分析应用而言,需要用户具有比较扎实的理论基础,以对分析的结果有一个准确的预测和判断。可以说,用户的理论水平,直接决定了ANSYS软件的使用水平;另一方面,通过不断尝试以熟练操作,可以提高解决问题的效率。


    ANSYS软件是计算数学与有限元理论的软件化,不理解其模拟过程,一方面无法深入理解如何将实际问题转换成软件可以理解的形式;另一方面,软件使用过程中经常遇到很多错误,深厚的理论基础有利于理解,并解决错误。实际上,笔者在使用ANSYS软件中的很大部分精力,都是在解决各种“ERROR”。


    所以,在具体学习ANSYS软件操作前,必须先学习各种理论基础,加深对有限元算法以及各种基本概念的理解。力学专业转投有限元工作时,虽然其力学理论很多,但是由于没有实际经验,很多概念的理解,仅停留在一个符号的认识上,理论认识不够,更没有感性认识;而结构工程师转投有限元时,更会感觉到理论知识的匮乏。


    在进行有限元分析时,需要对相关参数的数值有清晰的了解。尤其是经典版中,由于其没有统一的单位制,软件仅仅根据数字的数值进行计算,用户需要十分小心的确定输入的数字与输出的结果之间的单位制问题,这非常容易出错。此类问题在Workbench平台中,得到了根本性的解决。也许学习ANSYS时,以前的力学基础都忘记了,尤其对于结果的分析,需要用到各种理论知识的积累,并依据有关标准和技术规格书的要求进行评定。


    对于迫切需要解决实际工程问题的结构工程师(Engineer)而言,单独翻看繁复晦涩的理论知识的效率实在低下。笔者的建议是:用2个星期的时间粗略翻看《材料力学》、《金属的力学性能》、《工程力学》等基本理论,了解核心原理与概念。


    看的速度越快越好,只看大概框架,不要看里面的任何一个公式;然后找到《全国勘察设计注册一级结构工程师》的辅导书,中常规结构计算的案例。其中会有各种根据设计标准的公式,编写的典型结构,如一个单纯受均布荷载的梁或单纯受到均布压缩荷载的柱的设计计算流程。


    由于这些都是工程计算方法,比《材料力学》等理论书籍中的公式更为简化,易于理解。再找到GB50009《建筑荷载设计规范》与GB50017《钢结构设计规范》的最新版,根据辅导书中的典型案例,对应GB50009和GB50017等标准中的最新公式手工计算。由于辅导书中的是现成的计算流程,遇到类似问题时可以类比对照,能以最简单,最快速的方法理解结构计算的基本流程。


    掌握流程即是对问题的一种分解,了解解决问题所需要的方法和不同方法间的逻辑关系,而后经过对问题的再次分解,而掌握解决问题所需的更详细更广泛的关键点,逐个解决关键点,从而为解决整体问题提供合理的方向性指导。


    遇到动力学问题可参考《振动理论》、《实验模态分析》等基础知识。由于模态分析技术是所有动力学分析的基础知识,必须首先掌握它,而后参考更有针对性的专业手册。


    基本是三步学习法:刚刚了解理论基础时,用最快的速度,概略性的将理论的框架掌握,既第一步需要的是速度;而后详细翻阅具体理论的思路、概念、方法和适用条件等,既第二步需要的是广度;最后以需求带动学习,针对目前所需解决的问题,详尽参考有关知识,既第三步要做到深度。而根据问题的初始状态和最终目标,对解决该问题所需要的方法和思路以及所需的各种知识,进行分解和列举,直至捋顺出解决问题的整体路线,会深刻的困扰初学者。


    在理论计算方法中,不同参数是如何影响结构性能的,是非常直观的,可以从根本上杜绝盲目改进的错误。更重要的是,通过手工计算,可以更深刻的理解影响结构力学性能的核心参数与设计思路,然后再用类似思路学习有限元理论,将工程计算的简化方法与理论计算的近似解析解相互对比,从而跨越性的获得全局知识体系。当然,为了更好的解决实际问题,需要深刻的学习理论知识、软件操作、熟悉有关设计标准、工程投标与设计经验。


    这是一个反复的从理论到实际再到理论的转换过程。但是每次转换,用户的整体水平,都会有一个较大幅度的提升。


    笔者就职于重工业企业设计岗位。很多时候是根据技术规格书的规定以及有关设计标准的要求进行工程设计,相对比较容易做到标准化与规范化。生活中的行为准则是法律,设计上的规则就是标准。熟悉设计标准,对于优化设计流程与思路具有重要的指导意义。


    “真正的”工程师是对设计标准非常熟悉的,而刚刚毕业的研究生则是对论文熟悉的,两者知识体系的差别,也会慢慢的在实际工作中有所体现。另外,各种标准中虽然介绍了很多具体的计算方法,但是它不是理论手册,仅仅是个工程设计方法的介绍与规定。很多设计方法隐含的理论知识以及设计方案的权衡是无法体现的,这时就需要用户大量的搜集有关理论与方法的资料。翻看某某标准对应的《某某标准释义》,可以从另一个角度了解此标准所提出的要求的来龙去脉。


    类似的,在压力容器设计行业,可以翻看GB150-2012《钢制压力容器》,JB/t4732-1995(2005确认)《钢制压力容器-分析设计规范》等标准。再找到对应的标准释义与计算手册。思路一样,根据计算手册的典型例题对应最新标准的公式与要求进行手工设计计算。


    随着时间的推移,工程设计标准会有更新和替换,但是工程技术是既有继承性又有循环性的。所谓继承性就是连续性,不同时期的技术标准、法规、方案等有着内在的联系;所谓循环性代表螺旋式上升,每循环一次就会上升一个台阶,往往又伴随着更深入的认识和进步。面对这种螺旋式上升,波浪式发展的过程,站在“螺旋”的对面,可能就会看到不断循环的回转;站在“螺旋”的侧面,就可能看见一条正弦曲线;而站在“螺旋”的轴侧方向,则可能看到这条曲线的全面,从而把握事物的整体特点。站在巨人的肩膀上,就可以看的更高更远。


    在涉及到复杂的非线性问题时(几何非线性、材料非线性、接触非线性等)。一方面,不同的问题对应着不同的数值计算方法,那么求解器的选取和各种参数的设置情况,就直接关系到程序的计算代价和是否能解决问题;另一方面,需要对非线性求解过程比较了解,知道程序的求解是如何实现的。只有这样才会对评价计算的结果,尤其是解决各种错误提供依据。对于可能的情况,能简化成线性行为的分析,就尽量不要用非线性算法计算。


    ANSYS是基于有限单元法与现代数值计算方法发展而来的,因此适当了解《计算方法》很重要。还有《计算固体力学》也需要了解,因为ANSYS对非线性问题的处理就是基于此书中提到的复杂理论。


    对于设计师而言,更偏向工程实践,要求简单快速;对于有限元分析师,要求理论深厚,灵活求解。一个合适的工程设计有限元分析师,应能将这两项要求有机的结合起来解决工程问题。


    建模能力是个重要的能力。解决实际工程问题时,往往物理模型复杂、庞大,而有限元模型的建立需要大量的时间与精力。一般而言,在单次的分析过程中,有50%-80%的时间用来建立合适的有限元模型。如汽车碰撞用有限元模型的建模工作量一般为3人/年。


    有限元模型的建立思路与产品模型不同,其要求在不改变基本结构的前提下,尽量简化模型,以方便建立高质量的有限元模型。所以,拿到一个复杂的真实产品模型时,应将对求解问题影响不大的局部零件和细节结构删除或合并,降低模型复杂程度,而后考虑适当分割模型,以利于划分高质量的网格。当然,在应力集中区域,任何半径的倒角都是有利的,应予以保留。


    高效率的建立出一个高质量、具有代表性、满足精度和求解时间要求与计算机求解能力等要求的有限元模型,对于后续的求解过程十分重要。求解一个不负责任的有限元模型,往往带来无限的错误。


    对于建模能力,笔者的观点是,由于有限元软件的前处理部分,一般是科学家为了解决工程问题和科学问题而开发的,计算能力是需要优先解决的问题,而前处理能力往往不擅长。随着有限元软件的发展尤其是Workbnch15.0平台的推出,其能与各种大型三维机械设计软件,如、SW、UG、PRO/E、CATIA等建立的三维模型进行无缝连接。


    这些软件具有:界面人性化(代表着软件界面设计的先进生产力)、操作简单(三维设计的人员一般没有专职有限元分析人员那么高深的有限元理论知识;设计的精髓是改图)、功能强大(各种复杂的模型建立与出具工程图)、用户群广泛(遇到软件问题可以有很多人能帮助解决)、专业化(比如功能极其强大的Catia非常很适合数十万零件级的巨大产品设计、工厂全厂设计、复杂曲面建模、虚拟加工、3D扫描逆向工程等;PRO/E适合各种模具的设计;汽车等行业的复杂曲面常用UG建立;SW适合基本的简单机械的设计,而其界面人性化程度是这四个软件中最好的)等特点。


    对于分析人员,实体模型的建立,建议用3个月时间学习一款最方便其使用的三维机械设计软件。这样也能更快速的为划分高质量网格,切割出合适的物理模型,尽最大可能的提升建模效率。建立实体模型是生成三维的精确有限元模型的基础,高质量的有限元模型又是保证计算精度、速度和结果正确性的基础。


    建模能力的培养需要大量的练习。一个好的建模思想与习惯有利于提高效率。比如多个不规则钣金件组成的模型,用多零件单独建模,并组成装配体会非常复杂,可以考虑用放样再抽壳的方法就极其容易了。


    复杂形状的模型,都需要分割成多个相对简单形状的“分块”后,才可以划分出高质量的网格。很多时候,对模型剖分的思路与方法,更多的是凭借着用户的经验。一些常见的结构剖分方法,可以用一些相对标准化的思路进行剖切。


    ANSYS Workbench平台DM模块的建模思想与三维机械设计软件有个很大的不同,就是零件装配关系的设置。在DM模块中,多个零件互相的位置关系是单件建模时,将特征数据合并到单件内。而机械设计软件(如SoildWorks),一般将装配关系单独列到整体特征树,单独选择零件,可以观察到与其有关的所有配合关系,在修改模型时会比DM的镶套整合的思路更加高效直观。这些都是DM模块没有的人性化功能。


    大部分公司设计的产品,大体的结构、机构形式很有限,不用太长时间就能掌握。但是要把东西设计好,好多细节的地方就需要理论与经验的结合,对原来的结构进行改进。对于工程师而言,出图是次要的事情,那是设计师的职责。


    学机械出身的人,看一眼装配图或者去现场实习一下,基本就掌握了将来所计算的实物重点在什么地方和比较关注的部位。这就是为什么有那么多的“山寨”产品。


    但是随着接触时间增多,可能力学的基础知识,会对结构认识的更深刻,往往不同专业的人思维方式是不同的。比如,对于同样一个轴上的卸载槽,机械的可能更关注机械设计手册给多少尺寸,就是这么定的;而学力学的可能就像为什么这么定,是不是能从数学模型和力学模型上给出准确的推导。


    所以,一般一个公司研究数值模拟和选型计算的部门,会招一半学机械的和一半学力学的。两部分人在一起从不同侧面讨论,这样计算出的结构才会更好。


    闭门造车总是让人非常郁闷。笔者刚刚接触有限元时,在所就职的部门中,只有笔者了解有限元理论(还是完全从零学起的哪种)。资料有限、无人交流、理论匮乏曾深刻的限制了学习效率。直到笔者开始以QQ群为平台,参与大家的交流,这个局面才逐渐转变。QQ群是个方便的交流平台,笔者先后加入过约80个有限元类的QQ群。在与大家的讨论中扩展了知识面、认识到了很多朋友、学习到了大量的经验技巧,收获丰多。在此感谢所有网友给予的帮助与支持。


    QQ是个即时通讯软件,很多相对简单的问题可以得到快速的解决。但是复杂问题,专业性很强的各种有限元论坛,还是不错的交流平台,比如傲雪、百思、CAE论坛、声振论坛、仿真论坛和中华论坛等。


    由于ANSYS软件创立44年来没有官方的中文版,仅有英、法、德、日版。语言问题对于从业已久的工程师而言可能是个大问题,很多人强烈的希望获得翻译版的ANSYS软件。笔者认为,作为初学者,看到满屏幕的英文也许非常困难。但是熟练以后就会发现,其实常用的功能涉及到的单词不超过1000个,而且很多操作习惯后,会记住有关图标,了解用途即可。


    现在,翻译软件也很丰富,笔者推荐两个:一个是台湾人编写的叫做《译点通》;另一个是中国编写的《林格斯》。几个月后,语言问题就不再是最主要的障碍了。


    也可以考虑更改程序变量后,成为“中文版”的ABAQUS软件,最新版是6-14;或者刚刚被AUTODESK公司收购的Simulation2014,此软件有官方中文版;以及各种高端三维机械设计软件,如SW、PRO/E、UG、Catia等,也以插件的形式扩展了有限元模拟软件,其大多操作极其人性化,一般设计人员可在一个月内具备基本的分析计算能力。但其精度与功能上与MSC、ABAQUS、LS-DYNA、ANSYS、CFX、Fluent等略逊。


    汉化版的ANSYS软件,笔者领略过经典版的10.0和12.1和经过二次开发的12.1Workbench。虽然ANSYS的Workbench平台从,7.0版就已出现(至今已有十年的历史),但是毕竟ANSYS是90年代进入中国,经典版的用户群已经有20年的深厚积淀。从大学教授到其学生,再到大型企业和研究机构等,基本都是从经典版开始接触的。用户群基数巨大,对软件的了解与使用都很深入,对经典平台界面的依赖性,也可以说使用的惯性很大。


    一般来说,刚刚开始接触有限元的年轻人和追求最新技术的公司,会考虑Workbench平台。其用户群小,也造成软件教程不多。虽然教程有限和语言受限,但是笔者依然不建议尝试翻译版的ANSYS Workbench软件。因为,其翻译不一定准确,而不同用户交流起来,一个说中文词汇,一个说英文,容易有沟通障碍。


    如果一直被语言问题所吓倒,并且没有条件投入巨资,进行二次开发的翻译工作,请放弃ANSYS。


    针对初学者,除了上面讲到的翻阅标准和寻找典型例题学习外,对于软件操作,可找到ANSYS Workbench平台的官方教材,根据教材讲解顺序逐步练习。


    Workbench平台在7.0-11.0之间的操作界面几乎一致,12.0-15.0几乎一致,近似版本间,操作变化不大。


    学会如何搜集和积累各种资料,也是一种学习能力。在学习的任何阶段,都需要大量的资料支撑。用户必须在尽可能想的到的,尽可能所有的渠道,搜集尽可能多的资料后,通过翻阅和筛选,找到相对更适合自己的部分,加以钻研并尝试掌握。淘宝、QQ群、百度文库、新浪爱问、各种网盘、专业论坛、同事等都是很好的资料源。搜集时应先解决数量问题,全面翻阅后,然后考虑质量和内涵问题。自学的过程是艰苦和孤独的,好的方法不过是少走弯路而已。


    有些操作以前需要插入命令流,在新版中可以直接图形化操作等,如子模型分析。最低应找到很对12.0版的Workbench教材学习,会比较有利。然后建立一些简单的模型,具有针对性的练习,对单一模块和单一功能的操作。这样减少计算规模,也减少出错。够相对灵活的掌握操作知识的时候,就更需要参考其他人的经验与技术了。多借鉴成功经验与技巧有利于少走弯路。有机会的话,可以多看看专业机构出具的实际产品的分析报告。虽然其不一定能很详细的介绍求解设置,但是其可以提供一个基本思路的有利参考。


    当一个个实际问题被解决、一个个操作技巧被掌握、一个个ERROR被消除、一天天累计的个人努力被越来越多的认可,这种成就感,会让人感到非常幸福的。


    人的记忆力是有限的,软件操作是个熟练工种,需要多次的练习与重复的操作以便掌握。有些操作也许不经常使用,定期的单独练习一下,有利于巩固记忆。


    做工程的,最忌讳把设计搞的太复杂,能简单就要简单。越简单,越可靠(墨菲法则)。无论如何,软件仅仅是一个机械化的根据用户指令进行运行的计算工具,其本身没有判断指令的合理性与正确性的能力,,不能代替一个充满知识与经验的头脑,软件只是能让问题的解决更有效率而已。评判一个有限元工程师的真实水平,应看他或她脱离了ANSYS软件后,还能做哪些工作。


    随着有限元技术的发展,出现了越来越多,越来越精确的单元以及更广泛的分析功能和更人性化的操作方式。比如ANSYS从经典版到Workbench平台的跨越,以及ANSYS公司对CFX软件的深刻整合等。尤其是一些高端三维机械设计软件的有限元分析插件,它们的图形界面和操作非常人性化,极其简单易懂,使得初学者也能完成很多方面的分析工作。而价格上,SolidWorks软件的结构有限元分析插件大约15万人民币,类似的ANSYS机械设计模块则约为15万美元,相对要低廉的很多。这就带来一个问题,为什么还要学习理论知识呢?笔者提出一些建议与感想:


    1. 只有分析者理解了需要解决的问题,知道应该如何建模、如何简化、如何选择合适的单元与边界条件和算法去等效模拟设计工况,了解有限元软件的性能、软件求解方式与假设和局限性、数据输入的方式和在分析的全阶段检查,并避免各种错误,才能可能得出可靠的结果。商业软件只提供给用户前后处理操作和执行文件,其源程序对于用户是黑匣子,这样,分析者将面对许多选择和困惑。若不理解有限元的基本概念、程序包含的内容和这些选项的内涵,分析者将会非常被动。最简单的现象是,算错了都不知道是怎么错的。因此,有限元工程师,必须理解有限元分析的基本概念。


    分析者不能完全依赖软件计算,而得出结论性结果。应该具备相关的理论计算基础与经验,以期验证计算的正确性,以及拥有一个正确修改设计方案的思路与方法。针对相对简单的模型或工况,很多相关的设计标准与手册,都可以给出简化的手工计算方法。


    2. 由于个人理解与实践经验的不同,即使在相同的设计条件下,不同人的计算结果也可能会不尽相同。故而,要得到一个尽可能可靠的数值结果,还需要多人间的独立分析,综合评定分析结果,以尽量排除人为因素。另外,由于数值分析的各种假设与算法的限制,其结果与真解之间,几乎永远有差别。一个可靠的结果,还需要与实验值的交叉验证与证明,才足够可信。甚至有时候只有实验值才是可信的。


    3. 现在,越来越多的结构工程师希望在解决问题时,只需区分类型和条件,让软件自动生成必要的数学模型,完成复杂而重复的分析和设计过程。最后,由制图工具完成生产图和施工图。在这种环境中,结构工程师唯一的责任,就是明确所要解决的问题,然后评价最后的设计“结果”。


    这种设计思路注定是灾难性的。让计算机成为知识、经验和思维的替代品,这是非常令人不安的。这使人们相信,他们仅仅简单地依靠计算机程序,就可以“解决”工程问题了,而没有认识到高质量的设计,只能是由渊博的工程理论知识和大量的经验以及艰辛的脑力劳动相结合的产物。有什么办法才能使工程界,改变过分依赖计算机软件的情况不再滥用?这没有简单的答案,需要用户在掌握大量基础知识的前提下,谨慎的考虑。


    作为一个合格的有限元工作者,应当具备以下素质:对复杂问题的建模简化与特征等效;软件的操作技巧、计算结果的评价能力、工程问题的研究能力、误差控制能力等。


    另外,由于有限单元算法本质上的原因,在ANSYS Workbench平台中,执行绝大多数操作后,一般都不能实现在常用应用软件中,已普遍拥有的倒退和撤销功能。就像人生没有彩排一样,用户必须时刻记住所有的操作,随时保存随时备份,以防止因操作错误或者求解失败后的前功尽弃与推倒重来。有限元就是现场直播。


    最好有一个专门的记事本,随时记录已经完成的操作和关键数据的输入情况,当计算出现错误时,这将是排查错误原因的重要依据。




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