CAE分析时应注意的问题

1、分享如何成为一个合格的分析工程师mit的例子在产品设计过程中能够充分考虑到多种因素，可以使设计出的产品更加 可靠和具有市场竞争力。但是在传统的机械结构设计中，工程师所依靠的常常是 设计规范和设计经验。对于常见结构，传统的设计可以保证结构的安全性，不能 保证设计的最优性，不利于结构设计的经济性。对于复杂的结构，这样的设计甚 全连使用的可靠性都无法合理的考虑。在这样的背景下，计算机辅助分析开始在 机械结构设计中发挥出越来越重要的作用。作为现代数值模拟方法在工程领域的 应用，计算机辅助分析可以在设计阶段对结构进行校核、优化，使工程师在产品 未生产之前就对设计的经济性、安全性有所认识。在各种CAE的工

2、具中，有限元方法是相对较为成熟的，也是在工业领域 应用最广的。在有限元天地中，将介绍有限元分析的相关理论和学习有限元程序 的经验。由于本人专业所限，有限元分析天地中所指分析将特指结构分析。在本文中我将谈谈如何成为一个合格的有限元分析工程师。作为一个合 格的有限元分析工程师，至少应该具备以下三个方面的技能和经验：坚实的理论基础，包括力学理论（对于结构有限元分析工程师）和有限元理 论必要的程序使用经验，对常用的商业有限元分析程序能够熟练应用工程实践的经验，对于不同的工程问题能够准确的做出判断和确定分析方案在这三个方面中，比较容易解决的是程序使用，通常盗版软件和程序教 程是很容易获得的，一般通过一些

3、练习题就可以很快掌握程序的使用。所以，有 很多初学者在用几个练习题熟悉了一个或几个程序以后就以为自己可以做一个 分析工程师了，这是极端错误的。练习题与工程分析的差别在于，在做练习题的时候，拿到手边的已经是 简化好的模型了，结构已经简化好了，分析类型已经设定，边界条件和载荷条件 已经确定，计算完成后，能够看到和教材上一致的结果就算是完成了。在这个过 程中，学习者只学到了程序如何使用，这个过程，不用说大学生，高中生都可以 完成。在做工程分析的时候，情况就完全不同了，没有人给你指定模型的简化、分析类 型，边界条件，在计算完成后，还需要对结果进行分析和评价。在这个过程中， 程序的使用变成了整个分析过程

4、中的技术性最低的一个环节。一个完整的工程分 析的流程是怎样的呢？首先是问题的提出，在工业实践中，提出问题的部门通常是设计部门或 生产部门，设计部门会提出要求对某一设计进行某一方面的验证或优化，生产部 门会提出对在产品生产或使用过程中出现的缺陷或问题进行分析和解决。通常情 况下，由于分工的不同，设计或生产的工程师对于有限元分析是没有经验的，他 们提出的问题是模糊的，例如说，设计工程师会问，在某种情况下，我的设计安 全吗？生产工程师会问，为什么这个产品会坏呢？然后是问题的分析，这个过程是需要结构分析工程师与设计工程师或生 产工程师共同完成的。接到设计工程师和生产工程师提出的问题时，先对问题做 一个

5、初步的判断，是什么样类型的问题，然后对问题进行调查，做出是否需要进 行下一步的有限元分析。接下来，如果决定要进行有限元分析，就需要更仔细的分析了，需要决定以下几 个问题：分析目的和分析规模，结构简化与计算规模，边界条件和载荷条件，建 立模型的方式，计算结果的分析方法。等这几个问题决定后，就可以开始计算了。在计算结束以后，就需要对结果进行可信度的评价，即要确定计算结果 是所设定问题的正确模拟，获得了和实际问题足够近似的结果。在此基础上，才 能按照预先定好的结果分析方法对结果进行分析。根据分析的结论，才最终向设 计和生产部门提供可靠的建议和意见。上面是粗略的介绍了工程有限元结构分析的一个基本的流程

6、。从这个流程中，利 用程序处理一个设定好的问题只是其中的一个步骤。那么在这个流程对前面提到 的三个方面的技能和经验是如何体现出来的？在整个流程中应该注意一些什么 关键问题呢？工程有限元（结构）分析的基本流程：对问题进行初步分析（决定是否进行有限元分析）- 详细分析（对分析 进行计划）- 进行有限元分析- 结果分析- 问题解决在接到设计部门和生产部门提出的问题时，工程判断(engineering judgment )非常重要，要了解问题的状况，提出问题的目的，根 据工程经验做出初步判断。并非所有接到的问题都是需要进一步分析的，有限元 分析也不一定是解决问题的最佳手段。在工程中，能够用最少成本和最

7、短时间解 决问题的手段才是最佳的。要做出正确的初步判断，需要有通过解决大量工程问 题积累的经验，需要对常见问题的理论有清晰的解决思路，需要对有限元方法的 能力和局限有清楚的认识，同时对于可能进行的有限元分析需要的时间和人力有 准确的判断。这个过程中要充分和设计工程师及生产工程师进行沟通，尽量获取 更多的资料和数据，避免模糊的直觉判断，无论是否要进行下一步分析，都要提 出有理有据的建议。在决定需要进行有限元分析后，对即将要进行的分析的理论和本质要 有深刻的认识，对自己所可能使用的程序的能力也要心中有数，避免不合理和不 切实际的分析计划。运用理论和经验上的判断，决定计算的模型、规模和类型。 能够用

8、尽可能简单的模型，尽可能短的时间得到解决问题所需要的分析结果是在 制定分析计划中的基本原则。熟练的运用商业有限元程序进行有限元分析，需要对程序有深刻的认 识，做到每输入一个参数都清楚知道这个参数的意义和作用，这其实也需要理解 有限元和力学的理论，仅仅熟悉程序的界面是不够的。获得分析结果后，问题并没有解决，设计和生产部门需要的是简单有效的结论和 方案。能够从纷繁复杂的数据中寻找问题的解决方案，需要的仍然是理论和经验。下面我将分三章更详细的谈谈作为一个合格的分析工程师在应该具 备那些理论知识、如何和怎样使用那些程序，同时介绍一些通用的工程经验。随着有限元在工业领域的普及，FEA成为CAE的重要组成

9、部分，同时 也带给大家一个感觉，CAE嘛，当然是COMPUTER重要。说到这里，我想到一个 人，就是我硕士时的导师，作为北大数学力学系的毕业生，在60年代分配去做 反应堆工程，作了一辈子的核设备力学分析。他到这个研究院后，开始主要是手 算解决力学问题，然后是从打孔计算机开始编程计算，然后从SAP4, ADINA用到 了 SAP84。在我入学时，计算工具已经是ANSYS5.4和MARC7 了，操作系统也变 成了 UNIX，他已经不会这些工具了，但是在日常的分析工作中，遇到问题时， 无一不是他解决的。他给我说的一句话，至今让我受益。无论用什么程序，要 清楚你输入的每一个参数的来龙去脉。正是这样，他

10、得以帮助我们解决分析中 遇到的问题。透彻的了解所分析问题的理论基础是做一个分析工程师所必须的条 件。大多数公司对有限元分析工程师的基本学历要求都是工学硕士。抛开 目前国内人才市场学历贬值的因素不谈，我觉得这个要求是非常合理和必要的。 因为进近些年，在大多数的工科院校里，除了工程力学专业外，很少在本科阶段 开设有限元理论的课程，另一些做有限元分析的必要理论课程，如弹性力学，塑 性力学，变分理论也多在硕士阶段才开设。因此有时看到一些公司在招聘有限元 分析工程师时，学历要求仅仅要求大专或本科，便觉得有些怀疑。并非学历歧视， 只是觉得如果要以大专或本科的教育背景，可能需要做更多努力才能胜任这样的 职位

11、。作为一个分析工程师到底需要什么样的理论基础呢，也许有人觉得过分 强调理论的重要性有些吹毛求疵了。在这一部分中，将系统介绍一下分析工程师 必须具备的理论知识，限于本文的写作目的，本章不会涉及细节的理论。在未来 的写作中，我计划将分别来对本章提到的学科和课程进行详细的讲解，对自己所 学也系统梳理一遍。在大学中，我们首先学到的是数学，对于有限元分析，数学同样是最基 础的了。除了对微积分有深刻认识外，由于在力学领域会涉及到较多的偏微分方 程，应此对数理方程应该了解，同时，由于有限元分析是数值计算方法，矩阵论 和计算方法作为数值计算的基础，是必须要掌握的。另外的便是变分方法和复变 函数了，对于有限元分

12、析工程师，个人认为这两门课程不是必须的，因为对于大 多数工程力学分析问题，已经有现成的变分过程可查了，有一点变分的知识就好 了。在大学中，我们首先学到的是数学，对于有限元分析，数学同样是最基 础的了。除了对微积分有深刻认识外，由于在力学领域会涉及到较多的偏微分方 程，应此对数理方程应该了解，同时，由于有限元分析是数值计算方法，矩阵论 和计算方法作为数值计算的基础，是必须要掌握的。另外的便是变分方法和复变 函数了，对于有限元分析工程师，个人认为这两门课程不是必须的，因为对于大 多数工程力学分析问题，已经有现成的变分过程可查了，有一点变分的知识就好 了。CAE分析时应注意的问题将实际工程问题转化为

13、力学问题要正确。分析对象的选取、载荷工况和施加载荷的确定、边界条件(位移约束条件) 的确定、结构的刚度和质量、载荷传递路径和应力集中等问题的处理是CAE分 析的关键。CAE模型的建立是在对分析对象进行力学定性分析之后进行的。在解决实际工程问题时要区分静强度破坏、疲劳破坏和振动耦合破坏。因为 结构破坏的原因不同，解决问题的方法也不同。在分析结构件疲劳问题时，不能用材料的应力(S)-疲劳寿命(N)曲线，必须用 结构件的载荷(P)-疲劳寿命(N)曲线。在一般情况下，建立的有限元模型与分析目的有关。根据分析目的建立的专 用有限元模型不宜提供分析目的以外的准确信息，建议在提出分析目的时要一次 性说明。许

14、多情况下有时也采用一个有限元模型多用的方法，这要根据具体情况 灵活掌握。应认识到建立CAE分析指南对CAE分析的重要性。在建立CAE分析指南之后， 就可以减少试验分析的次数。在没有CAE分析指南的情况下，千万不要以为有 了初步计算结果后CAE分析就是正确的。应该认识到CAE分析模型的正确性和计 算结果的合理性必须用力学分析(理论)、分析经验、试验分析和实际使用情况进 行判断。.CAE分析的主要目的是优化设计、通过多方案比较和设计优化分析选择较优的 设计方案。在一般情况下，不用CAE的计算结果评价结构“行”还是“不行”。关于试验验证问题，应认识到试验分析和CAE分析都存在误差，二者是互相 验证的

15、关系。试验分析的结果和CAE分析的结果(至少在规律方面)应该基本相同，不能有显著差异，数值误差应在允许的范围之内。5.提高CAE的应用水平 如何做好CAE分析，也就是如何用CAE分析的结果指导 产品研发（设计），这是非常重要的。关于CAE分析，表明上看起来简单，实际上是有较大科技含量的一项辛苦工作。 在一些情况下，找出分析对象的载荷和边界条件是非常困难的，要对分析对象的 使用情况进行仔细的观察和分析，最后还要对计算结果进行分析和确认，不是像 有人说的那样做CAE分析很容易，所谓一按回车键，计算结果就出来了。看别人CAE分析容易，自己做起来就不一定容易CAE分析入门容易，但做好分 析就不容易了。

16、国内外的许多实例表明，CAE分析人员责任重大，做好CAE分析就能给公司和企 业带来辉煌，做不好CAE分析就会误导设计，给公司和企业带来损失。学好CAE分析，60%在于理论，40%在于经验。建议CAE分析人员努力学习力学 和有关专业的基本理论，在工作中对CAE分析产生兴趣和激情，在思考中产生灵 感和智慧，在分析问题时积极动脑筋，对每个数据认真负责。从学习到理解、从 升华到创新，将日积月累的分析技巧和经验理性化、规范化，用于指导以后的工 作。发挥设计部门、分析部门和试验部门的团队精神，不断研究设计方法、提高 CAE分析和试验分析的综合应用能力。基于ANSYS的复杂有限元网格划分技术有限元结构网格数

17、量的多少将直接影响计算结果的精度和计算规模的大小。一般来 说，网格数量增加，计算精度会有所提高，但同时计算规模也会增加，怎样在这两 者之间找到平衡，是每一个CAE工作者都想拥有的技术。1.网格密度有限元结构网格数量的多少将直接影响计算结果的精度和计算规模的大小。一般来 说，网格数量增加，计算精度会有所提高，但同时计算规模也会增加，怎样在这两 者之间找到平衡，是每一个CAE工作者都想拥有的技术。网格较少时，增加网格数 量可以使计算精度明显提高，而计算时间不会有大的增加。当网格数量增加到一定 程度后，再继续增加网格时精度提高很少，而计算时间却大幅度增加。所以应该注 意网格数量的经济性。实际应用时，

18、可以比较两种网格划分的计算结果，如果两次 计算结果相差较大，应该继续增加网格，重新计算，直到结果误差在允许的范围之 内。在决定网格数量时还应该考虑分析类型。静力分析时，如果仅仅是计算结构的 变形，网格数量可以少一点。如果需要计算应力，则在精度要求相同的情况下取相 对较多的网格。同样在结构响应计算中，计算应力响应所取的网格数量应该比计算 位移响应的多。在计算结构固有动力特性时，若仅仅是计算少数低阶模态，可以选 取较少的网格，如果计算的阶数较高，则网格数量应该相应的增加。在热分析中， 结构内部的温度梯度不大时，不需要大量的内部单元，否则，内部单元应该较多。有限元分析原则是把结构分解成离散的单元，然

19、后组合这些单元解得到最终的 结果。其结果的精度取决于单元的尺寸和分布，粗的网格往往其结果偏小，甚至结 果会发生错误。所以必须保证单元相对足够小，考虑到模型的更多的细节，使得到 的结果越接近真实结果。由于粗的网格得到的结果是非保守的，因此要认真查看结 果，其中有几种方法可以帮助读者分析计算结果与真实结果之间的接近程度。最常用的方法是用对结果判断的经验来估计网格的质量，以确定网格是否合理， 如通过看云图是否与物理现象相一致，如果云图线沿单元的边界或与实际现象不一 致，那么很有可能结果是不正确的。更多的评价网格误差的方法是通过比较平均的节点结果和不平均的单元结果。 如在ANSYS中，提供了两条显示结

20、果的命令：PLNS，PLES。前者是显示平均的节点 结果，后者是显示不平均的单元结果。PLNS命令是计算节点结果，它是通过对该节 点周围单元结果平均后得到的，分析结果是基于单元高斯积分点值，然后外插得到 每个节点，因此在给定节点周围的每个单元都由自己的单元计算得到，所以这些节 点结果通常是不相同的。PLNS命令是在显示结果之前将每个节点的所有结果进行了 平均，所以看到的云图是以连续的方式从一个单元过渡到另外一个单元。而PLES 命令不是对节点结果平均，所以在显示云图时单元和单元之间是不连续的。这种不 连续程度在网格足够密（即单元足够小）的时候会很小或不存在，而在网格较粗时 很大。由于PLNS结

21、果是一个平均值，所以它得到的结果会比PLES的结果小，他们 的差可以较好的表示网格的密度。ANSYS提供了两个误差估计显示选项：SDSG是针对结果问题的，TDSG 是针对热问题的SDSG和TDSG提供了对每个单元的绝对误差的估计，可以 用PLES命令来显示，很好的估计误差。网格疏密网格疏密是指在结构不同部位采用大小不同的网格，这是为了适应计算数据分 布特点。在计算数据变化梯度较大的部位（如应力集中处），为了较好的反映数据 变化规律，需要采用比较密集的网格。而在计算数据变化梯度较小的部位，为减少 模型规模，则应划分相对稀疏的网格。采用疏密不同的网格划分，既可以保持相当的计算精度，又可以使网格数量减 少。因此，网格数量应增加到结构的关键部位，在次要部位增加网格是不必要的， 也是不经济的。单元阶次ANSYS中许多单元都具有线性、二次和三次等形式，其中二次和三次单元称为 高阶单元。选用高阶单元可提高计算精