[分享]如何成為壹個合格的分析工程師

在產品設計過程中能夠充分考慮到多種因素，可以使設計出的產品更加可靠和具有市場競爭力。但是在傳統的機械結構設計中，工程師所依靠的常常是設計規範和設計經驗。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。對於復雜的結構，這樣的設計甚至連使用的可靠性都無法合理的考慮。在這樣的背景下，計算機輔助分析開始在機械結構設計中發揮出越來越重要的作用。作為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。在各種CAE的工具中，有限元方法是相對較為成熟的，也是在工業領域應用最廣的。在有限元天地中，將介紹有限元分析的相關理論和學習有限元程序的經驗。由於本人專業所限，有限元分析天地中所指分析將特指結構分析。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）和有限元理論必要的程序使用經驗，對常用的商業有限元分析程序能夠熟練應用工程實踐的經驗，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在這三個方面中，比較容易解決的是程序使用，通常盜版軟件和程序教程是很容易獲得的，壹般通過壹些練習題就可以很快掌握程序的使用。所以，有很多初學者在用幾個練習題熟悉了壹個或幾個程序以後就以為自己可以做壹個分析工程師了，這是極端錯誤的。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壹設計進行某壹方面的驗證或優化，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，例如說，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，為什麽這個產品會壞呢？接下來，如果決定要進行有限元分析，就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，才最終向設計和生產部門提供可靠的建議和意見。工程有限元（結構）分析的基本流程：對問題進行初步分析（決定是否進行有限元分析）-詳細分析（對分析進行計劃）-進行有限元分析-結果分析-問題解決在接到設計部門和生產部門提出的問題時，工程判斷（engineeringjudgment）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壹步分析的，有限元分析也不壹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，盡量獲取更多的資料和數據，避免模糊的直覺判斷，無論是否要進行下壹步分析，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程序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。能夠用盡可能簡單的模型，盡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。熟練的運用商業有限元程序進行有限元分析，需要對程序有深刻的認識，做到每輸入壹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，僅僅熟悉程序的界面是不夠的。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。能夠從紛繁復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。隨著有限元在工業領域的普及，FEA成為CAE的重要組成部分，同時也帶給大家壹個感覺，CAE嘛，當然是COMPUTER重要。說到這裏，我想到壹個人，就是我碩士時的導師，作為北大數學力學系的畢業生，在60年代分配去做反應堆工程，作了壹輩子的核設備力學分析。他到這個研究院後，開始主要是手算解決力學問題，然後是從打孔計算機開始編程計算，然後從SAP4，ADINA用到了SAP84。在我入學時，計算工具已經是ANSYS5.4和MARC7了，操作系統也變成了UNIX，他已經不會這些工具了，但是在日常的分析工作中，遇到問題時，無壹不是他解決的。他給我說的壹句話，至今讓我受益。"無論用什麽程序，要清楚妳輸入的每壹個參數的來龍去脈"。正是這樣，他得以幫助我們解決分析中遇到的問題。透徹的了解所分析問題的理論基礎是做壹個分析工程師所必須的條件。大多數公司對有限元分析工程師的基本學歷要求都是工學碩士。拋開目前國內人才市場學歷貶值的因素不談，我覺得這個要求是非常合理和必要的。因為進近些年，在大多數的工科院校裏，除了工程力學專業外，很少在本科階段開設有限元理論的課程，另壹些做有限元分析的必要理論課程，如彈性力學，塑性力學，變分理論也多在碩士階段才開設。因此有時看到壹些公司在招聘有限元分析工程師時，學歷要求僅僅要求大專或本科，便覺得有些懷疑。並非學歷歧視，只是覺得如果要以大專或本科的教育背景，可能需要做更多努力才能勝任這樣的職位。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了。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復變函數了，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，有壹點變分的知識就好了。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了。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。