【經驗分享】CAE工程師侃侃如何成為一個合格的有限元分析工程師

原標題：【經驗分享】CAE工程師侃侃如何成為一個合格的有限元分析工程師

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正文

今天，和大家一起侃侃如何成為一個合格的有限元分析工程師。

這還要從N多年前傳統機械結構設計的狀況說起。Long long ago，工程師設計時所依靠的還是設計規範和設計經驗，對的，某種程度來說和第六感差不多吧。

那時候，對於常見結構，傳統的設計可以保證結構的安全性，不能保證設計的最優性，不利於結構設計的經濟性。對於複雜的結構，這樣的設計甚至連使用的可靠性都無法合理的考慮。

後來，隨著現代數值模擬方法在工程領域的應用，計算機輔助分析可以在設計階段對結構進行校核、優化，使工程師在產品未生產之前就對設計的經濟性、安全性有所認識。

CAE工具千千萬，然而有限元方法由於較為成熟，在工業領域應用最廣而脫穎而出了。擇日不如撞日，小編今天就為大家帶來有限元分析的學習經驗，其中有限元分析將特指結構分析。

作為一個合格的有限元分析工程師

少了以下三方面技能可是萬萬不行的

一基本功要紮實！！！

要有堅實的理論基礎，包括力學理論（對於結構有限元分析工程師）和有限元理論等等；

二熟練的軟體操作！！！

即能夠熟練應用必要的有限元分析軟體；

三豐富的工程實踐經驗！！！

對於不同的工程問題能夠準確的做出判斷和確定分析方案。

三個方面中，比較容易解決的是軟體操作，在這個盜版軟體和「史上最全XX軟體教程」滿天飛的時代，軟體下下，裝裝so easy！通過一些練習題就可以很快掌握軟體操作了。所以，有很多初學者在用幾個練習題熟悉了一個或幾個案例以後，就以為自己可以做一個分析工程師了，這是極端錯誤的！！！

練習題與工程分析的差別在於，在做練習題的時候，拿到手邊的已經是簡化好的模型了，結構已經簡化好了，分析類型已經設定，邊界條件和載荷條件已經確定，計算完成後，能夠看到和教材上一致的結果就算是完成了。在這個過程中，學習者只學到了軟體如何使用，這個過程，不用說大學生，高中生都可以完成。

在做工程分析的時候，情況就完全不同了，沒有人給你指定模型的簡化、分析類型，邊界條件，在計算完成後，還需要對結果進行分析和評價。在這個過程中，軟體的使用變成了整個分析過程中的技術性最低的一個環節。

說了這麼多

一個完整的工程分析的流程是怎樣的呢？

首先是問題的提出，在工業實踐中，提出問題的部門通常是設計部門或生產部門，設計部門會提出要求對某一設計進行某一方面的驗證或優化，生產部門會提出對在產品生產或使用過程中出現的缺陷或問題進行分析和解決。

通常情況下，由於分工的不同，設計或生產的工程師對於有限元分析是沒有經驗的，他們提出的問題是模糊的：

設計工程師會問，在某種情況下，我的設計安全嗎？

生產工程師會問，為什麼這個產品會壞呢？

然後是問題的分析，這個過程是需要結構分析工程師與設計工程師或生產工程師共同完成的。接到設計工程師和生產工程師提出的問題時，先對問題做一個初步的判斷，是什麼樣類型的問題，然後對問題進行調查，做出是否需要進行下一步有限元分析的決策。

如果決定要進行有限元分析，接下來需要更仔細的分析了，需要決定以下幾個問題：

• 分析目的和分析規模；

• 結構簡化與計算規模；

• 邊界條件和載荷條件；

• 建立模型的方式；

• 計算結果的分析方法。

等這幾個問題決定後，就可以開始計算了。

在計算結束以後，就需要對結果進行可信度的評價，即要確定計算結果是所設定問題的正確模擬，獲得了和實際問題足夠近似的結果。在此基礎上，才能按照預先定好的結果分析方法對結果進行分析。根據分析的結論，向設計和生產部門提供可靠的建議和意見。

上面粗略地介紹了工程有限元結構分析的基本流程。從這個流程中，利用軟體處理一個設定好的問題只是其中的一個步驟。那麼在這個流程對前面提到的三個方面的技能和經驗是如何體現出來的？在整個流程中應該注意一些什麼關鍵問題呢？

工程有限元（結構）分析基本流程

在接到設計部門和生產部門提出的問題時，工程判斷非常重要，要了解問題的狀況，提出問題的目的，根據工程經驗做出初步判斷。並非所有接到的問題都是需要進一步分析的，有限元分析也不一定是解決問題的最佳手段。在工程中，能夠用最少成本和最短時間解決問題的手段才是最佳的。

要做出正確的初步判斷，需要有通過解決大量工程問題積累的經驗，需要對常見問題的理論有清晰的解決思路，需要對有限元方法的能力和局限有清楚的認識，同時對於可能進行的有限元分析需要的時間和人力有準確的判斷。這個過程中要充分和設計工程師及生產工程師進行溝通，儘量獲取更多的資料和數據，避免模糊的直覺判斷，無論是否要進行下一步分析，都要提出有理有據的建議。

在決定需要進行有限元分析後，對即將要進行的分析的理論和本質要有深刻的認識，對自己所可能使用的軟體的能力也要心中有數，避免不合理和不切實際的分析計劃。運用理論和經驗上的判斷，決定計算的模型、規模和類型。能夠用儘可能簡單的模型，儘可能短的時間得到解決問題所需要的分析結果是在制定分析計劃中的基本原則。

熟練的運用有限元軟體進行有限元分析，需要對軟體有深刻的認識，做到每輸入一個參數都清楚知道這個參數的意義和作用，這其實也需要理解有限元和力學的理論，僅僅熟悉軟體的界面是不夠的。

獲得分析結果後，問題並沒有解決，設計和生產部門需要的是簡單有效的結論和方案。能夠從紛繁複雜的數據中尋找問題的解決方案，需要的仍然是理論和經驗。

一個合格的分析工程師

應該具備哪些理論知識

在大學中，我們首先學到的是數學，對於有限元分析，數學同樣是最基礎的。除了對微積分有深刻認識外，由於在力學領域會涉及到較多的偏微分方程，應此對數理方程應該了解。同時，由於有限元分析是數值計算方法，矩陣論和計算方法作為數值計算的基礎，是必須要掌握的。另外的便是變分方法和複變函數了，對於有限元分析工程師，個人認為這兩門課程不是必須的，因為對於大多數工程力學分析問題，已經有現成的變分過程可查了，有一點變分的知識就好了。

其實作為一個學力學出身的人，需要學習的數學太多了，我列舉一些我學過的科目，這些科目在學習時沒覺得有多少用，但到做有限元時，是可能會用到的，張量理論，偏微分數值方法，最優化方法，積分變換，有了這些數學工具，就能夠比較容易理解軟體中，從理論到數值的過程。

作為的專業基礎課，力學科目自然是必不可少的，工科（非力學專業）本科教育會學到的是最基礎的理論力學，材料力學，或許有結構力學。理論力學給了最基本的力學知識，關注於剛體力學的經典理論，材料力學關注於梁的力學行為，結構力學關注於杆件力學行為。

碩士以後，就會接觸到彈性力學，塑性力學，斷裂力學，板殼理論，振動力學。這些科目，不可能記住或推導全部那些紛繁複雜的公式，但是，有一點是重要的，至少，遇到問題，能很容易的到對應的章節去找相關的公式和理論。特別要強調的課應該是彈性力學和振動力學，這兩本書是應該爛熟的，如果這兩門課沒有好好學，一定不能成為合格的有限元分析工程師，因為它們是靜力和動力分析的基礎。

學好了數學和力學，就能成為好的分析工程師了嗎，當然不能，工程理論仍然必不可少：機械原理，機械零件，金屬材料…一個都不能少！！！一些學力學出身的工程師，他們有很好的理論功底，但是ENGINEERING JUDGEMENT卻比較差，做工程師畢竟不是做研究員，所以如何將理論真正用到實踐中，才是最重要的。

最後，對照以下標準，看看自己到底是什麼級別吧？

1、菜鳥1級

會使用AUTOCAD畫一些簡單的二維圖，根據這個圖，能想像產品的三維形態。

2、菜鳥2級

你的二維圖上能夠看到公差，材料，表面處理，工藝技術要求等信息了。而且這些信息是你自己標上去的，你知道他們意味著什麼。

3、菜鳥3級

你會畫二維圖了，並且你畫的圖看上去真的能加工出實物來了，儘管有時候會犯一些錯誤，例如精度要求高的的連德國人都做不出來，更何況你們車間的張師傅。應領導的要求你能用一些三維軟體出個效果圖看看，雖然沒什麼實用價值，至少很有成就感。

4、菜鳥4級

你已經很清楚你的產品是怎麼加工出來的了，而且了解每一道工藝工序的意義何在。如果需要改進，你也大體上能夠判斷從那裡入手，對改進後可能產生的影響，你也 能猜到一二。這個時候，你已經對深刻的認識到二維工程圖遠比三維模型有意義的多。你開始鄙視那些只會用三維軟體建一些三維模型的所謂機械工程師。

5、菜鳥5級

你開始了解什麼叫企業信息化。知道了三維設計其實很有用，並且可以把你熱愛的工藝信息融入到三維設計中來。這個時候你應該已經能夠熟練地應用三維軟體設計一些常用的零部件，並且生成足以指導生產的二維工程圖，或者直接拿到數控設備上加工出來。

6、菜鳥6級

你已經能夠使用相關設計軟體管理生產了，包括設計出圖，零部件清單管理（BOM）；你對生產流程已經很清楚，能夠識別技術關鍵點並著力解決；甚至已經開始嘗試利用有限元分析進行強度、疲勞等的分析，並且可以輕易的寫篇洋洋灑灑的設計文檔出來，忽悠菜鳥是不成問題了。而且如果你還沒有當上設計主管的話，可能是人際關係上需要再努把力了。

7、菜鳥7級

你已經隱隱約約的感受到簡單而重複的設計出圖是在浪費你的時間，因為這些東西你已經爛熟於胸。你更希望有更多的時間去致力於提升產品的整機競爭力，比如如何降成本，如何改進工藝流程，如何提升設計效率。你能夠看到你的產品在結構、材料、功能上還有不足，你能夠意識到這不是你一個人能改變的，你開始利用周邊的技術資源進行系統的考量，制定產品競爭力提升的計劃，並列出技術節點去一一攻破。

8、菜鳥8級

這個時候你已經超越「結構設計」的範疇了。你應該很清楚，你的產品在結構上已經沒什麼潛力可以挖掘了。但是圍繞著結構，你能夠關注到整機產品的各個特性需求，在EMC、散熱、噪聲、安規、環境、人機工程、DFX（DFM可製造性、DFI可安裝性、DFA可裝配性、DFT可測試性）等等一系列領域都能夠靈活 滲透應用，全面提升產品的核心競爭力。

9、菜鳥9級

對整個產品的核心競爭力負責，是你的基礎工作了。同時，你要了解國內外製造業相關標準規範，知道你的產品要在歐洲或北美銷售會面臨什麼樣的門檻，需要提供什麼樣的認證，你怎樣提升你的產品來滿足這些需求。你還必須對競爭對手的產品了如指掌，能夠一針見血的指出對方的短木板，和你自己產品的優勢所在。你了解行業動態，能夠預見將來5年甚至十年該產品的發展趨勢，並制定長期的發展戰略，指導你的手下進行相關的技術積累。

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