普通人有限元分析入门方法：实际应用学习篇

普通人有限元分析入门方法：实际应用学习篇

前两个部分内容写的只能算是有限元分析应用的基础和前提，这部分所说的内容才算是有限元分析应用的入门。本身写这一系列文章的目的就是和大家交流交流什么是有限元分析的应用问题，所以这个部分才是整套系列文章的重点。

我这里所说的入门是能够到企业能够做事情，如果以目前大家的熟悉培训的阶段来说，我个人把有限元分析学习的初级阶段分为大致这么几个阶段：软件操作阶段、理论学习阶段、应用入门阶段，千万注意这三个阶段是没有先后学习顺序的，并不是先学了软件操作再学理论然后才能应用入门，最简单粗暴也是最直接的方式就是直接应用入门，我个人一直觉得这才是学习技术最有效的方式。我所说的入门阶段大致指标先说明下：1.针对某个分析模块能够解决独立大多数不同类型的产品在这个模块下的分

析问题，比如我们最常接触的就是静力学模块，那多数产品的静力学问题要会自行独立解决，这里特别强调独立，现在很多学习者所谓的独立也都和我的定义不一样了，自己能够去网上问一个问题等待别人来解答这不叫独立，自己查资料自己看帮助在不寻求他人的帮助下解决问题这才叫独立；

2.分析出来的产品能够自行提供切实有效的验证方案和验证指标，并且能够

提供有结论的分析报告；

有人说以上两点要求高了，这要怎么实现，我想说的是以上两点不是我给大家的标准，而是各位找工作的标准，如果达不到这两点，即使在短期内因为个中原因进入了某家优质企业，时间久了也会被扫地出门。

我们这个行业的大神和学术界的精英们一般留在学校做科研工作，但是留下的大批学历背景一般、专业背景一般的毕业生和早已走入社会的工程人员人是不可能做相关的科研工作，也就是说绝大多数人最终是要走进企业对有限元分析进行一线产品的应用。

从有限元这个工具被大家所熟知开始，所有的行业内人士都知道这个工具可以优化与改进产品或者设计新结构能达到预定的效果，但是很多分析工程师实际上并不知道怎么去逐步实现这个最终价值，也就是如何将有限元分析的价值真正落地。所以首先第一部分我来和大家聊聊在我眼里如何才能将有限元分析的方案真正落地。

我这里首先从一个典型问题展开说说我们最关注也是有限元分析应用最终的方向之一：降低成本。某企业想对自己的产品进行重新的优化设计，主要目的是想在保证产品合格的情况下降低产品成本，于是找了一位分析工程师进行优化改进，最终分析工程师对其中内部一个主要部件进行了局部的设计改进，他在工作汇报总结上的内容大致是：该部件重量下降20%，因此节省20%的材料成本，符合项目初期要求。公司领导和下面的工程师看到这个设计方案之后，非常不满意，他们之间的争执过程我就不说了，我就罗列其中的几个重点：

1. 产品是机加工件，原始设计方案和改进后的设计方案毛坯的质量最多只相差10%；

2. 产品在实际加工过程中的工序由原来的2道工序变成了至少3道；

3. 装配工序多了一道；

4. 这个产品的主要成本排除材料成本之外，表面处理的成本才是大头，材料只占这个部件总成本的40%左右。

所以最终优化后的总成本其实根本不用算就知道肯定增加了。我们都常常把有限元分析能够降低产品成本这件事挂在嘴边，但是实际上对于很多分析人员来说，一提到降成本想到的就是把材料成本降下来，其他的方面根本就不会考虑，这是非常严重的误区。降低成本是一个系统工程，并不是如故事中所说的把材料成本降下来就可以解决问题了，此消彼长的道理在成本核算中是一个永恒不变的话题，从设计成本、采购成本、生产加工成本、装配成本、管理成本、运输成本以及后期的维护成本等等一系列成本，如果我们想做一个好的产品，必须对成本进行一个合理的控制，比如：

焊接结构的刚度比螺栓连接的刚度要大很多，这样同样的焊接结构的产品可以比螺栓连接的产品轻一点，那为什么有那么多钢结构设备要用螺栓连接呢？因为轻的那部分材料成本会被更高昂的运输成本吃掉，以及未来可能带来的维修成本。

产品部分位置用M4的螺栓，部分位置用M6的螺栓这样强度就已经能够满足要求，但是为什么最后成品都用了M6的螺栓呢？仅仅是因为安

全考虑的么？一般情况下第二种方案（全部使用M6螺栓）的采购成本、库管成本、加工成本以及售后维护成本都低很多。

一根轴通过有限元分析发现直径在26-30mm的某个区域内性能会比较好，但是在实际生产中如果是模具加工那我们就从26mm设计开始，但是机加工就要从30mm设计开始，这个就是考虑产品的修复问题。

这类问题其实非常多，笔者见识有限，只能举这几个典型且易于理解的小例子，实际情况只要去仔细研究下企业标准化的整套流程，自然就能明白个中原因。但是通过以上的例子其实我想说明的一个情况：目前我们很多分析工程师视角太过狭隘，对产品的了解严重缺乏，导致改进之后的产品在生产装配或者维修等各方面存在明显缺陷。

所以说到怎么才能将分析方案落地，其实最需要的就是对企业产品各阶段的了解，其实我个人多年感受是只有对产品进行深入的了解之后，结合有限元分析的工具才能将有限元分析的价值体现出来。CAE这个名字其实说的非常好，计算机辅助工程，既然是辅助，它的技能地位其实已经说得非常明白，原则上不能作为一个独立的技能存在，有限元分析作为CAE 的一个分支，自然也不例外。但是目前有一部分搞分析的同行研究生或者博士毕业，出来后本质上看不上搞设计的工作，尽量疏远这个方向，保持自己一个高大上的形象，这一想法恰恰会限制了很多分析工程人员后期的提升和发展（这部分内容我将在第四部分内容中讲述）。

上面的内容是和大家交流下分析工程师在企业应用的比较高级的目标，算是工程人员成长的一个比较高级的目标，离目前多数新手距离较远，只能作为一个长期的发展方向，而实际上多数新手在一开始遇到的困扰主要存在于一个大问题：我们分析结果的对错谁来告诉我们？目前很多学习者能够做的事就是依靠市面上的教材，天然默认教材里的分析结果就是正确的，然后通过教材结果和自己的练习结果进行对比，对上了就是正确的，对不上就是错误的，其实这个做法是错误且没有意义的，在有限元分析中有一个很重要的技能培养就是后处理结果的验证，我不讨论教材书上的结果是否正确，但是现实问题中并没有一个答案会直接给你去做各种云图对比，所以通过软件操作教材或者绝大多数的书籍，后处理结果验证这项能力新手是没法去学习和掌握的，而后处理结果验证的能力又恰恰是直接关系到整个分析是否能够连接到实际应用最重要一步，可以说是有限元分析应用最难也是最重要的能力。所以对于工程师来说如何去有效地掌握后处理结果的验证才是真正分析能够学好的关键。所以接下来我们来说说怎么去学习培养分析工程师这部分的技能。

验证一般有两种方式，一种是理论结果和仿真结果的验证，一种是试验结果和仿真结果的验证，前者是传统理论经验公式和更先进的理论计算方法的对比，而后者代表着理论和现实的对比，这两种验证方式均有着不同的学习重点。但是无论是哪种验证方式，学习掌握的难度都非常大，我在我的有限元教学视频里或者一些文章中经常会说到一些现实的边界条件问题，比如：多数涉及到螺栓孔的问题简化无条件设置为约束或者焊接；