毕业在季，拒绝代写！浅谈毕业论文中有限元分析软件的应用
当前这段时间又到了本科生开展毕业设计或毕业论文工作的时间。近年来随着重点大学升研比例的逐年提高，越来越多的本科同学选择做毕业论文而不是传统意义上的毕业设计。对于工科的同学来说，如果选择了以计算和分析作为主要工作的论文选题，那么就肯定要学习和使用有限元分析或CFD等计算软件。
对于几乎没怎么接触过分析软件的本科同学，在十周左右的时间内需要完成论文选题、开题、文献阅读、分析软件的学习、建模与计算、成果分析与整理、论文撰写等一系列工作，时间上还是很紧张的。因此在很大程度上，对计算软件的掌握程度将直接影响到毕业论文工作的进度和质量。今年由于疫情的原因，很多同学可能是在老师的远程指导下进行毕业论文的选题和开题工作，这也客观上增加了毕业论文环节的难度。本文以工程结构有限元分析软件ANSYS的应用为例，谈一谈在本科毕业论文计算分析工作中需要引起注意的问题，希望能够帮助相关专业的同学在软件学习和应用方面掌握正确的学习方法，少走弯路。
首先，作为分析软件，ANSYS需要使用者具备一定的专业背景知识。对于分析杆系结构的用户，需要有材料力学、结构力学、计算结构力学或杆系结构矩阵位移法等必要的基础知识，应当掌握梁的截面特性、单元刚度矩阵、杆系结构的节点约束类型、节点的连接方式（铰接、刚接、弹性连接）、空间梁的截面定位等基本概念。对于分析实体或板壳结构的用户，需要有弹性力学、板壳力学（至少需要了解薄板的小挠度弯曲理论）等必要的基础知识，应了解一点的应力（应变）状态、主应力（应变）与应力（应变）不变量等基本概念、了解平面应力、平面应变、轴对称以及3D弹性力学问题的基本方程和边界条件，了解常见问题的理论解答。对于温度场分析和热应力分析方面的用户，需要有基本的传热学基础知识，应了解热传导傅里叶定律，了解导热系数、热膨胀系数等概念，了解固体的热传导方程及其边界条件，了解温度应力分析等理论知识。对于振动方面分析的用户，需要有结构动力学方面的基础知识，应了解振动分析中的质量、刚度、阻尼等基本概念，了解结构动力学的一般方程、自由振动和受迫振动、地基运动与隔振的基本概念等。对于结构稳定性分析的用户，需要了解压杆稳定理论、板件的弹性稳定性、非线性分析的基础知识和常用算法等。在上述理论知识的基础上，再结合软件的学习，基本上能够保证计算分析不出现概念性的偏差。如果时间有富余，可以进一步学习有限元方法、数值计算等内容，但是这些不建议作为本科阶段的硬性要求。ANSYS结构分析软件由于历史的原因，目前存在着ANSYS Workbench和Mechanical APDL（ANSYS经典界面）两种不同的操作环境。这两个操作环境其实并没有本质的区别，仅仅是前后处理环境不同，其背后的求解器是统一的，如下图所示。那么到底使用哪一个界面呢？这是一个老生常谈的问题，我的建议是：综合考虑问题类型及老师要求等因素来选用操作环境。
如果指导老师明确提出要求采用一种分析环境，那么建议按照老师的要求，这样能够得到老师的指导，也便于获取往届师兄的论文模型等资料，在前人的基础上开展工作。如果指导老师并无倾向性，那么可以根据具体的问题类型来选择。如果是杆系结构，如：起重臂桁架、框架结构、网壳结构等问题，建议学习和应用Mechanical APDL界面。如果是实体或板壳结构，如机械零件、车体结构等，建议学习和应用Workbench界面。对于没有接触过软件的同学，我强烈建议你花上一周时间学习一下软件的基础知识，不要急于开始具体的建模和分析。学习相关参考书或视频课程都可以，静下心来，先不用聚焦于你的问题，而是全面了解软件的基础知识和操作方法。软件基础知识包括软件模块组成、项目与文件管理、基本概念和术语等内容。
对于Mechanical APDL界面的用户，需要了解起始层和处理器层的概念，了解GUI和命令操作的内在统一性，其实Mechanical APDL界面的实质就是一系列包含有一系列命令的不同处理器（前处理器、求解器、通用后处理器、时间历程后处理器）的组合，如下图所示。你需要了解几何模型和有限元模型的区别，了解求解过程的组织和载荷步、子步的概念，了解总体坐标系、局部坐标系、节点坐标系、单元坐标系和结果坐标系，了解常用的文件类型、数据库备份的必要性、log文件基础上编辑形成命令流的操作。很多工作以后使用ANSYS多年的老用户，仍然讲不清什么是载荷步，搞不清楚载荷历史的管理等基本问题。所以一开始在打基础的阶段，建议要以官方培训课程和帮助手册来规范地学习，不要学成野路子。对于Workbench界面的用户，需要了解Project Schematic中分析流程的搭建，了解流程中各组件单元格的状态以及刷新和更新操作的作用与区别，了解Engineering Data组件定义材料数据的基本方法，了解几何组件中可以处理线体、表面体、实体以及部件装配的基本概念，了解Mechanical组件中项目树的主要分支的作用，了解Workbench的项目文件的管理、常见文件类型、参数与设计点管理等。
软件操作方法包括建模的方法、加载的方法、求解设置的方法、后处理方法等。对于Mechanical APDL界面的用户，各种操作均在一个界面下完成，其过程概括为在不同的阶段调用不同处理器中的命令完成相关的操作。比如在PREP7中调用单元特性定义、几何建模、网格划分等前处理的命令，在求解器中调用分析设置、加载以及求解命令，在后处理器中调用读取结果、绘制云图和曲线的命令。此外，还需要掌握一些常用的辅助性操作，比如对象的选择、Plot操作、Plot Controls菜单操作等。要在应用中了解GUI界面操作和命令之间的对应关系，并逐步强化命令流操作方式。对于Workbench界面的用户，需要在不同的阶段在不同的程序组件中进行操作。比如在Engineering Data中定义材料模型及参数，在Geometry组件中创建几何模型（或导入外部几何模型并进行处理），在Mechanical组件中进行材料指定、网格划分、分析设置、加载、求解以及后处理的操作。初学者建议重点掌握一种几何组件（SCDM或DM）的建模和模型编辑操作，并熟练掌握Mechanical组件的界面操作。在了解软件的基本概念和操作方法的基础上，可以对照练习材料进行一些简单实例的操作，通过实例检验对软件基础知识和基本操作的学习效果。建议优先选择官方培训中的例题进行练习，因为这些例题能够帮助用户全面熟悉软件的功能和操作方法。对于Mechanical APDL界面的用户，主要是用来建立杆系结构计算模型，建议抓住PREP7前处理器的操作主线，即：单元特性定义（单元类型、材料、截面）、几何建模、单元特性分配、网格划分尺寸和方法指定、网格划分。梁的截面定义相关的几个命令要熟练掌握，并随时通过显示实际截面形状来检查梁的定位是否正确。对于Workbench界面的用户，主要用来创建连续体模型或板壳模型。几何模型的准备阶段，注意模型中次要特征和次要零件（如螺栓）的简化，对于作为整体受力的体可以装配成多体零件的形式。对于板壳结构，熟练掌握中面抽取方法，对变厚度壳可按Solid Shell单元分析，这样就无需抽取中面。在Mechanical组件的前处理阶段，确保每个体的材料、厚度等信息的准确，正确建立部件之间的接触装配和连接关系，指定合理的单元尺寸并完成Mesh操作。Workbench界面中的建模流程如下图所示，几何可以从外部CAD系统中创建，但是强烈建议首先导入SCDM或DM这样的几何组件中进行处理和准备，然后再导入Mechanical组件中进行Mesh。无论是Mechanical APDL还是Mechanical组件，都应当深刻理解载荷步作为求解过程组织者的角色，根据分析类型，正确定义分析选项和载荷步选项。要深刻理解每种边界条件和载荷的特性，对不同的分析类型，根据概念定义不同的载荷类型，做到约束及载荷的正确施加，比如：静力分析中通常施加常量载荷或在载荷步间缓慢变化的载荷，线性屈曲分析中通常施加单位载荷，模态分析中不能施加载荷，谐响应分析中仅能施加同频率（不同相位）的载荷，瞬态分析中可以施加任意时变载荷。此外，还需要掌握函数、表格等施加载荷的方式。
载荷可以施加到几何对象上，也可施加到有限元模型对象上，但是计算时都将转化到有限元模型的节点上。因此，归根到底，ANSYS中的载荷需要落实在节点上。在加载和施加位移约束时，要深刻理解节点坐标系和载荷方向之间的内在联系。笔者发现，很多Workbench结构分析的老用户，应用软件很长时间了还是没有建立起节点坐标系这类概念，这需要引起初学者的重视。计算完成后，读取各个载荷步的结果，分别进行查看和分析。结构分析中，可以查看的量包括位移、支反力、应力、应变、接触结果等。热分析中，可以查看的量包括温度、热通量、边界热流等。应当能够利用专业知识和概念，对计算结果的正确性进行判断和评价。
对于工科专业的同学来说，毕业论文是全面运用所学知识，独立完成具有一定复杂性和综合性的课题的学习过程，是对专业知识、实际问题的处理能力、计算机运用能力、实验能力、外语水平以及写作能力的一次全面检验，也是一次难得的系统提升专业能力的实践机会。希望同学们通过毕业论文这一环节来全面地培养自学能力、研究能力，并以此为契机，系统地学习和掌握软件工具在各自专业领域的应用，为后续研究生阶段的学习和工作打下坚实的基础。
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