普通人有限元分析入門方法:理論學習篇

2021-03-05 機械人讀書筆記

我們拒絕關注獲取資源的行為,

我們拒絕分享文章獲取資源的行為,

我們拒絕收費獲取資源的行為,

我們拒絕一切套路。

是否關注是大家的自由,

我們只為努力分享機械行業資源,

讓更多的學習者受益。

(這文章寫的時候估計會被噴,我已經做好心理準備的!)

       文章開始前,我要先說明:就像文章題目說的一樣,本文只是從一個很普通的有限元分析工程人員的角度出發,既沒有華麗的學歷背景,也沒有超一流的企業研發經驗,更沒有超高的智商,只是從一個普普通通的分析工程師角度和大家說說作為一個普通凡人如何去看待有限元分析學習的問題。

       本人在網絡上浸淫多年,有限元分析的學習也經歷了整整10個年頭,從一個無知小白到現在能夠解決一些問題的工程人員,一路走來的心酸也是只有自己才知道。回憶最初的起步,以及網絡上看到很多新手學習的艱辛,想到寫這樣一篇文章,說說咱們這種普通人該如何去玩有限元分析。

       我打算把文章分為理論學習篇、軟體操作學習篇、實際應用學習篇和有限元分析行業市場分析篇四個部分,主要針對學習有限元分析5年以內的群體。、

       一說到有限元分析理論學習,我就覺得我上的那個是假大學,為啥隨便來幾個不是新手的人都是學過這麼多課的,看過這麼多書的,我上的大學不都是浪出來的麼?我相信很多新手和我的感覺是一樣一樣的。

      首先我以我目前的認知以及在網上很多人解答新手的問題來大致羅列下出鏡率比較高的理論科目,並大致評估下學習需要的時間(假設我們從20歲開始為有限元分析打基礎)。

       大學本科四年掌握:高等數學、線性代數、材料力學、理論力學、概率統計,到這裡24歲,這一階段大多數的步調基本一致,接下來開始:彈性力學(1年);數值方法(0.5年);有限單元法(1年);振動力學(1年);損傷力學(1年);張量分析(1年);線性空間(1年);軟體應用(0.5年)。把以上的內容相加,大概7年時間,WTF!這些學完已經30+了,這玩意我還是按照及其保守的時間,實際操作起來只會長不會短,有人說我可以一起學,有這種想法的人可以試試,或者去問問身邊群裡那些正在學習的人(這類人肯定不少,而且多數都是新手),聽聽他們學習之後的感受。已經參加工作的朋友們肯定知道,過了大學本科之後的階段,還要學相關的產品設計,產品標準一大堆的東西,讀書的還要應對考試,工作的每天還說不定要加班,還要談戀愛,到了27歲以後還有要考慮結婚生孩紙,要照顧家裡人,年紀大了記憶能力理解能力衰退,學這些玩意,確實想太多了,即使學個大概,估計30歲前能學完都謝天謝地了!所以這種學習方式適合那些精英群體(如果你不清楚自己是不是精英群體的,我想這樣判斷,反正高數、材料力學或者概率統計這些都是必修的,能夠每本一個月內看完並且理解80%考試輕鬆過的,那可能可以步入精英群體行列了,如果做不到的,那肯定不是了),不適合一般的普通學習者,更加不適合在24歲之後就走上工作崗位的工程人員,所以我們這樣的非精英群體該如何學習有限元分析的理論部分?

       我們多數人學習的目的是為了保證未來工作中的應用(這個是學習的核心一定要牢牢記住,如果家裡有礦學著玩的,不用往下看)。如果我們不是從事科研工作,工作崗位上張量分析和數值方法估計一輩子用不到;彈性力學在實際工作中的應用估計10%的內容就差不多了,而且可能還是其中最簡單的那些內容,損傷力學在實際應用當中幾乎不搞,企業就做最簡單的疲勞測試,試驗結果好就是好不好就是不好,從來不分析為什麼不好,加強結構換材料最實際。這裡要搞清楚一件事,損傷力學是研究材料怎麼破壞的,企業做疲勞試驗的目的僅僅只是驗證產品是否合格,當結果不好的時候也不會用用到損傷力學去分析材料破壞原因!當然了還有一個現實問題,網上交流虛虛實實誰也分不清楚,很多偽精英報個書名露幾個名詞有沒看過誰知道呢,有些事真不能太當真,當真就是輸。所以如果前期我們直接入手這些難度頗高的理論問題,對於一般智商的新手學習者來說絕對不是好事,更多的只是打擊學習者的自信心最終放棄。所以接下來我說說個人針對理論學習的看法,大家可以作為參考,其中肯定未必全部合適所有人:

      首先作為新人必須要有一本書能夠了解有限元分析到底是什麼東西的玩意,於是很多超級高深的教材成了主流學習者的首選!比如清華大學的那本有限單元法,但是這事我偷偷告訴大家一句實話:這本書我是看不懂的!沒什麼好臉紅的,這本書在我學有限元前幾年的時候連四分之一的內容都看不懂,而且更重要的是隨著越往後翻越迷茫,到最後連繼續翻的勇氣都沒有。(所以我也很佩服那些真正能夠把這本書啃完的大神,不包括記住書名和作者的那部分人)我只是一個普通工科學生,畢業後走得也是工程師路線,所以對於我來說這本教材不適合我,但是我比別人運氣好,我的導師當時推薦我看另外一本書,這本書現在想來確實改變了我學習有限元的狀態,從痛苦折磨變成了一件愉快且有動力的事,這本書也是我經常推薦給大家的《有限元分析-ANSYS的理論和應用》,作者是莫維尼,如下圖(電子版紙質版滿世界都是)。

      這本書的難度基本就是大多數學習者在目前的知識體系下稍微跳一跳基本能掌握。至於這本書看懂了,有了一定有限元分析的基礎,接下來其實你再選擇看任何程度的有限元書籍就是你自己的選擇,即使不再看別的書,以一個分析工程人員的背景,這本書裡的知識已經足足夠用,我現在在實際工作中極少用到很多理論性的東西,但是這本書我基本是兩年左右重新翻一遍。但是這裡我要強調的一點是,不管是難的還是簡單的分析理論教材,如果未來想從事和有限元分析相關的工作,一本關於有限單元法的系統性教材是一定要的,而且一開始不管是多簡單的有限元理論教材,多數人都是看不懂的!所以即使我說的這本所謂的簡單教材也只是相對其他同類型的書來說的,預計這本書看懂基礎好的差不多要2個月時間。

      在了解並且系統性學習有限單元法的同時,有一門科目一定是要補:材料力學。材料力學本來也就是彈性力學固體力學的前置學習科目,所以這門課非常重要,而且材料力學在工程應用中絕大多數的設計計算公式都是材料力學以及它的衍伸,去翻翻鋼結構設計手冊或者機械設計手冊上那些產品設計公式,絕大多數都只需要材料力學的基礎知識就可以了,這也從側面說明對於大多數工程人員來說不管你是做設計做實驗做仿真做理論計算,你的大多數力學知識體系應用只到材料力學。所以學好材料力學對於一個機械設計工程人員來說無比重要,不論你是否未來會走上仿真這條路。材料力學之後其他力學問題呢,比如彈性力學、固體力學、損傷力學等等,這些力學我個人建議是至少在學習有限元分析分析的前三年甚至前五年不要系統學習,即使遇到了其中一部分內容,針對問題查找資料論文,目前的網絡資源如此強大,想掌握某個體系當中的局部知識是一件非常容易的事情,如果我們花大量的時間去掌握這類系統知識,不僅僅浪費有限的時間,最大的可能性是把我們學習有限元分析的熱情和動力消耗殆盡。

       材料力學學完之後,有兩個方面的知識我認為是要提前準備的:振動力學和疲勞理論。尤其是振動力學,振動力學這個玩意是相對於材料力學比較獨立的學科,而在實際應用又非常廣泛。但是這門課也同樣有個問題,非常難,等遇到問題再去通過網絡或者手頭資料局部針對某個章節學習掌握的可能性不大,所以提前系統學習這個方向是非常必要的,而且學好震動理論的性價比很高,機械幾乎所有的行業都涉及到;第二個就是疲勞,疲勞的學習我個人建議就按照目前幾個主流有限元軟體的界面把不懂的名詞百度下然後把相關知識聯繫起來就足夠了,如果有好的微信公眾號加上看一看,基本也就懂了,沒必要專門看書學習,疲勞現階段只存在非常粗糙的分析價值,但是實際企業又非常喜歡搞這一套,所以作為新手疲勞的分析只要掌握最基礎的那些計算就可以了,不需要花費太多的時間,如果基礎足夠紮實,其實這一塊到遇到問題再學習也是可以的。

       最後還有三門課,線性代數、概率統計和高等數學,這三門課我想在有限單元法、材料力學和振動力學在系統學習過程中,一定會涉及到大量的線性代數和高等數學知識,在學這些科目的過程中輔助交叉學習線性代數和高等數學,等差不多這些科目看懂了,基本上線性代數和高等數學你要用的那些知識體系也自然學好了,沒有必要單獨學習,這樣學習就會很有針對性。但是有一門比較特殊的課程就是概率統計,概率統計這門課在之前的所有科目中是很少關聯涉及的,但是卻很重要。因為有限元分析工程人員其實有一個非常重要的技能:實驗,包括實驗設計、實驗數據統計這些都是有限元分析工程人員需要掌握的基本技能,所以概率統計這本書最好找一本和實驗結合的教材並系統學習,至於學好實驗設計和概率統計的重要性在後面實際工程應用篇會涉及到,至於大家又不知道看什麼書的,我這裡也推薦一本:《實驗設計與分析》。

   

       以上的科目算是有限元分析工程人員入門級人士要掌握的科目,有了這些科目的基礎,即使後期提升更高級別的理論知識都會非常輕鬆,但是其實從我的體會來說,我們這種普通工程人員實際工作基本遇到的問題都在以上這些知識體系之中,而這些內容的學習除了有限單元法知識和振動力學知識外,其他都是在大學本科就已經涉及,所以對於新人來說學習的難度大大降低,至於彈性力學數值方法這些問題,我們可以通過實際項目過程中的具體問題通過網絡等途徑碎片式學習。

(接下來一小部分內容為本次增加內容)

       但是我們始終是工程師,即使是走專業分析工程師路線的人員,掌握了以上知識體系之後,學習機械設計、標準化設計、產品理論、工藝生產基礎等等知識性價比遠遠高於學習彈性力學、數值方法等問題,當然如果有的學習者不在意時間或者僅僅是因為興趣學習的話,這種情況就不在我討論的範疇之內了。

       最後整體總結下之前所說的理論學習套路:一本難度適合自己的有限單元法教程進行系統學習;材料力學、振動力學和疲勞的系統性學習;試驗與概率統計系統性學習;在學習以上內容的過程中學習涉及到高等數學和線性代數的相關知識;在以上體系完備之後或者學習的同時可學習機械設計、標準化設計、產品理論、工藝生產基礎等理論知識;在實際項目過程中碎片化學習其他更高級的理論教材。

       但是不得不補充一句,不要一直處在準備學習知識卻不實踐的狀態,這是很多學習者無法進步的主要原因之一。

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