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设计人员学仿真分析，做复合型人才，成为职场“香馍馍”

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
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仿真圈

4月前浏览3107

导读：在现阶段，从提升职业竞争力角度来看，设计人员是很有必要去系统学习一下仿真分析技术的。但是设计人员学仿真和做仿真又存在着不少实际困难和问题。

为了找到阻碍设计人员仿真能力提升的原因，首先对设计人员学习和应用仿真技术的现状和问题进行剖析。在此基础上，为设计人员提出学习和提升仿真技能的几点建议。

当前，设计人员学仿真和用仿真，主要存在如下的问题：

现状1：日常工作忙，觉得仿真不是必须

画图工作量大，经常加班加点，尤其是遇到大项目时更是如此。反复的变更和改图，更是增加了工作量。仿真分析不能直接体现工作量，而且属于锦上添花的事情，跟设计工作的距离太远，可有可无。学做仿真分析，显然不如多画几张图来得实际，毕竟出图量是显而易见的，可以与收入的多少直接挂钩。

现状2：曾尝试学习，但很快就知难而退

设计人员一般不具备相关的理论背景，大部分人没有学过弹性力学，也没有学过有限元方法。对于分析软件中的那些名词术语，什么单元类型、自由度、等参变换，……，听起来就觉得云里雾里的，感觉很高深。即使下了决心要学习仿真软件，但面对界面当中的各种术语和选项，感觉很难很快就知难而退了。

现状3：学习一段时间，依然停留在入门水平

结构仿真分析入门相对容易，但真正学会却并不简单。

部分设计人员希望通过学习仿真技术来提升职业竞争力，但是学习了一段时间后，发现还只是会做一些教科书上的例题。对于工作中的实际场景，由于没有类似的案例进行模仿，即使是很简单的问题，也不知道怎么如何下手，或者按照自己的思路完成了一个具体问题的计算，但结果是否正确，心里也还是没有底，甚至会怀疑做这个的意义何在？如果只是一味关注软件的操作方法，而忽视理论背景和工程思维方法，很可能事倍功半，长期停留在入门水平。

那么，设计人员到底应如何认识仿真技术的作用？又应当如何有效地学习和提升仿真能力？下面提出几点建议。

建议1：了解相关的理论背景

会软件的操作不等于会做有限元分析，这一点已经日益成为业内共识。

有限元方法在结构分析领域的应用，本质上就是利用有限元方法求解结构力学问题。既然分析的问题都是力学问题，不懂力学知识是行不通的。

分析人员首先需要具备一定的力学知识和有限元方法基础知识，然后用这些理论基础指导仿真实践。那么，最低限度的理论背景知识都有哪些呢？读者可以参考下面的表格：

学科名称	知识点
材料力学	变形体和截面法的概念基本受力构件的内力、应力与变形计算组合变形、应力应变状态、强度理论
弹性力学	弹性力学的基本假定、圣维南原理三维弹性力学问题基本方程和边界条件空间轴对称弹性力学问题的基本方程和边界条件平面弹性力学问题基本方程和边界条件薄板小挠度弯曲的基本方程和边界条件常见弹性力学问题的解答
结构动力学	振动的基本概念（频率、阻尼、共振等）单自由度系统、多自由度系统的振动响应谱分析与随机振动的基本概念
有限单元法	位移模式、单元分析与结构分析线性方程组的求解与应力应变计算非线性计算的基本方法线性动力学有限元方法
疲劳与断裂	疲劳破坏及其特点应力疲劳与应变疲劳分析方法

注：仿真秀平台高研院结构仿真体系化课程中有更为详细的理论课程，以上表格所列仅仅是最低限度的理论背景知识，适合于理论基础十分薄弱的设计人员。

以有限元方法的计算原理为例，设计人员在学习仿真分析时应该对有限元方法的计算原理有一个大概的了解。

有限元方法的基本解题思路是通过对分析对象的离散，用一系列单元的组合体来近似描述实际的结构，了解了这一点，就很容易理解为什么计算前要进行Mesh。

各单元按照假设的位移模式发生变形，在相邻单元的公共节点上，各单元需要保持一致的变形，即满足变形协调。出于求解线性方程组的需要，载荷在计算时需要等效到节点上，这时与节点相连接的全部单元共同抵抗外力的作用，对各节点建立平衡条件即可建立有限元求解方程。基于选择的位移模式，得到节点位移后即可得到单元内任意点的位移，进而得到应变和应力。

了解到这些，就容易理解位移是有限元软件求解的基本未知量，而应力作为导出量，其精度必然比不上位移。实际上，由于软件采用了等参变换和数值积分技术，实际计算的仅仅是有限位置的应变和应力。大致了解这些，就容易理解网格划分时对单元形状的若干要求和应力结果的特性等。

建议2：区分设计思维和仿真思维

设计思维和仿真思维是不一样的思维方式，仿真的过程与设计过程也有很大的不同。设计人员学习做仿真分析，首先要适应这种思维方式的转换。

以几何模型为例：

设计过程的成果是3D图和2D图，且画图过程要细致、每一个细节都要注意到。

仿真中所用到的几何模型就与设计过程画的3D图有明显的区别，往往是需要进行必要的简化处理，忽略与仿真分析无关的大量细节，还需要进行必要的修复、添加用于加载的印记等操作。

仿真分析中需要根据构件的特点，选用合适的单元类型来模拟。不同的单元类型在客观上就要求不同的建模方案和几何准备方法，比如：板壳和杆系结构作为抽象的结构类型，所需要的几何对象不是3D实体，而是表面体或线体。

建议3：要建立结构体系的概念

在几何模型准备完成的基础上，接下来的一个重要环节就是模型的装配与连接。请注意，仿真分析的模型装配不是指设计软件中各部件的几何装配，而是指各部件在受力关系意义上的装配。

常见的装配方式包括接触、Joint节点、弹簧、梁、焊点、约束方程、网格连接等。通过这些连接，各构件之间才可以传递力的作用而形成可以受力的结构体系。

建议4：注意推敲边界条件

由于结构总体刚度矩阵的奇异性质，边界条件和载荷的施加成为问题能否正确求解的关键。很多人在执着于划分一个好看的网格上花费了大量精力，但是边界条件的施加方面却十分随意。相同的结构，不同的边界条件，所得到的分析结果相差甚远。

事实上，如果网格粗糙一些或者质量差一些，造成的问题也仅仅是误差层面；但是边界条件不正确的话，整个分析就完全做错了。

根据实际受力情况来施加合理的边界条件才是问题正确求解的关键。

建议5：不要只学软件操作

导入几何模型、划分网格、加载求解，这些只是软件的具体操作。会软件操作，不等于会做结构分析。

仿真分析不是简单步骤的堆砌，不是按照软件的操作流程step by step就能得到正确的结果。每一步操作实际上都有内在的道理在其中，要知其然，更要知其所以然。现在各种教程和视频层出不穷，但基本上都是在介绍操作的流程和操作方法，却根本不涉及为什么这样做、这样操作得到的结果对不对这些更深层的问题。

所以，要从看热闹的外行成长为真正的仿真分析师，就需要更多的思考上述深层次问题，而不是满足于做出来一组结果，停留在观看动画云图的“看热闹”层次上。

建议6：由简单到复杂，逐步积累经验

应用软件分析实际问题的过程中，宜遵循由简单到复杂的原则，逐步地在实践中积累感性认识并上升为经验。这方面的经验有很多，下面仅列举出一部分供参考。

在分析对象上，可以先进行受力明确的单个零件的分析，再逐步过渡到装配体的分析。

进行装配体分析时，首先选择简单的绑定接触类型作初步的计算。

首先掌握实体单元的应用，再逐步了解二维问题、板壳结构、梁结构的建模和计算方法。

首先排除非线性因素进行线性分析，再逐步过渡到非线性问题。