我自己的有限元仿真学习经历

5月前浏览9706

导读：大家好，我是天津大学在读博士研究生毕小喵。欣闻仿真秀正在全网筹备10月9日开启《开学季·自学仿真第一课》系列讲座，将邀请行业资深讲师（像ANSYS空间张老师、CFD之道胡坤老师和iCAEtube江丙云博士等），帮助学习者找到最适合自己的自学仿真资料，让学习事半功倍。旨在让有限元仿真"新手"快速入门主流仿真软件，并提升工程问题的行业解决能力。

应仿真秀邀请，我来回忆一下我自己学习有限元的经历。之前我也曾写过关于如何入门学习有限元的文章。

CAE应该怎么学？

但，我自己严格来说都不是按照这些方法入门的。因为在我入门开始学习时，没有前辈/学长和我聊过这些话。也没有一位师兄能解答我遇到的所有问题。

我第一次接触有限元分析(那个时候ANSYS版本是17.0)，几乎全程都在摸索，浪费了不少时间，不足为训。

一、初识ANSYS APDL

大连理工力学系本科的培养计划，几乎是条条大路通罗马地从每一个角度铺平了通往有限元的道路。从数值分析、结构力学、到变分原理。当我第一次在夏季学期（就是俗称的小学期，春季学期结束后进入小学期，课程总时长只有四周左右）在机房里打开ANSYS Mechanical APDL界面时，我已经知道什么是梁单元，什么是形函数，知道单元刚度矩阵如何组装成总体刚度矩阵，知道变分原理和最小势能原理。但我还是被ANSYS APDL那黢黑的用户界面镇住了。

这是Mechanical APDL 2022版的界面。我当时在机房用的……大概是13.0 ？

ANSYS其实一直在更新Mechanical APDL。ANSYS在更新它的命令流语法、修改默认算法、增加新的功能，微调输出文件格式，甚至也在改善APDL界面对高分辨率的支持。但这个界面，自从十几年前另起炉灶的Workbench环境出现以后，ANSYS就完全不打算更新APDL界面了。

小学期的ANSYS软件课程，大作业要求是用ANSYS APDL建模一个由梁单元组成的大桥，并给出分析结果。

别人怎么想的我不管，我自己从很小的时候开始（从小学或是幼儿园？），就对计算机很感兴趣，或许也略有一些理解软件界面的天赋。无论是Office、Photoshop还是视频剪辑软件，学生时代的我基本都能无师自通地理解它们的使用方式。但ANSYS APDL这个软件，时至今日我都清楚记得我对它的界面和它GUI交互逻辑的厌恶。这个第一印象直到今天还深深刻在我脑海里。

Windows 95 是第一个出现“开始”菜单的Windows 版本

APDL的图标和控件风格几乎定格在Windows 95时代，还有同属于那个年代的笨拙的交互方式。第一眼看到APDL的界面时，我甚至联想到了win95发布会上，滚石乐队演唱的那首著名的《Start me up》，和那些有着庞大的体积，还是球面屏幕的CRT显示器。我无法想象和同学们一起居然在早已普及了液晶屏的笔记本和视网膜分辨率的Surface平板电脑上运行着win95时代的程序界面。

我几乎是全程捏着鼻子做完了那份大作业。

二、初遇Workbench

不久之后，在另外一门有限元理论课上，老师留的课后大作业是让同学们用ANSYS随便做一个仿真分析任务。那年虽然早就有了移动互联网、有了B站，但B站还是一个非常纯粹的二次元同好聚集地。我们只拿它来追番剧（Fate）和看鬼畜（R U OK

）. 所以几乎所有同学都选择去图书馆借一本标题带有ANSYS的书来参考。等我赶到图书馆时，满书架标题带有 ANSYS 的参考书，有一本算一本讲的全都是APDL。

那时我安装的是ANSYS 17.0。在那个版本，Workbench环境已经比较成熟，甚至ANSYS还推出了更易用的AIM（这个界面今天已经被ANSYS彻底砍掉了），只不过没有中文而已。

我当时就想，这么炫酷的启动画面，肯定不会只有APDL那么丑的东西吧

这难不倒我。Design Modeler的界面虽说相比SCDM还略有些不便，但至少已经是基于草图、特征和约束进行建模的逻辑了。这可真是美好。最大的问题在于……对那时的我来说，打开Workbench界面就是两眼一抹黑，啥参考资料也没有，全靠自己摸索。

我清楚记得，准备大作业期间有一天我身体不适，舍友陪我去就医。一路的公交车上我就一直捧着我的Surface平板电脑，打开ANSYS自带的帮助文档，低头一行一行的慢慢读。ANSYS帮助文档写的真是太难懂了，我对着《workbench》的文档目录几乎从头翻到尾，看第一遍都没找着Mechanical Application的界面。

现在我们都知道，Workbench的文档就只是介绍Workbench工作台而已。真想用仿真的各种功能，需要查阅的是Mechanical Applications的文档。

反正最后……我全靠自己迷迷糊糊的读着一本看不大懂也觉得写的乱七八糟的帮助文档，勉强用ANSYS Workbench做出了一个简单的案例，整个模型就只有一个圆柱体。我甚至还犯了个非常幼稚的错误，为了让力不是加在圆柱体的整个侧面而是加在更小的面积上，我在圆柱体的侧面上加了一个尺寸非常小的凸台。我想着这个凸台尺寸这么小，是不是就能“骗过“软件，也骗过查看大作业的老师？

用2022版本复现了一下

网格画出来……大概就像这样。当时用17.0画的网格可能比这还要更加惨不忍睹。但总之，最后勉强还算是做出来了。

三、正式学习有限元

读研后，我的导师给力学系的研究生讲有限元课。在课上我又跟着老师学了一遍有限元的基本理论，勉强算是对有限元的算法有了比较感性的理解。

那门课的大作业要求是用任意有限元软件做几道例题。其中就包括在各类有限元入门课上很常见的带孔平板拉伸计算应力集中系数的题目。当时我所在的课题组，师兄们写论**仿真用的基本上也都是ANSYS APDL界面。但我实在受够了它，就想以这门课的大作业为契机，认真学习一下更现代化的有限元软件界面。这也算是我正式学习有限元软件的开端。（本科时太懵懂，学完APDL过几个月就忘记了大半。到读研以后才重新捡起来）

最后……那门课的大作业，在不同的题目上我分别使用了ANSYS Workbench、Abaqus 和 ANSYS AIM 三种软件界面。对同一道题，我也给出了不同软件的网格划分流程和结果对比。

ANSYS AIM的界面。在最新版本中已被ANSYS砍掉。

昔人已乘黄鹤去，此地空余……Discovery.

当时，ANSYS AIM的界面还是很直觉化的，不需要参考什么教材；Workbench Mechanical的界面虽然要稍微难一点，但其实也还好。我第一次认识SCDM，打开后看了一遍软件自带的快速入门卡片和短视频，差不多就知道怎么建立很简单的模型了。

第一次学习Abaqus，稍微有一点点难度。但我也只是跟着石亦平博士写的最经典的那本《ABAQUS有限元分析实例详解》，做了一个案例，理解Abaqus的基本操作逻辑，就可以上手了。

那时候我还没有学会使用浏览器翻译帮助文档，所以文档读的相对比较慢。但也还是从ANSYS Mechanical的文档里读到 Face Mesh网格划分时可以指定角节点和边节点以画出映射网格。

导师留的大作业里有一道题让我们简述一下有限元软件使用的线性方程组求解器，我就在翻阅ANSYS文档时，读到了Sparse Direct直接求解器和PCG预条件共轭梯度法迭代求解器的差异。

为什么要了解和学习多款仿真软件？

很多人会觉得，学习有限元专精掌握一款软件就好，更重要的是理解它背后的理论并学会用它来解决实际工程问题。我不反对这种观点，但至少从我自己来说，我从正式接触有限元软件起，就是对比着多款仿真软件来学习的。

………………

在这之后，就是对软件和理论的理解螺旋上升的过程了。在实际项目中，逐渐了解到接触算法、实体和壳单元、非线性材料本构、模型简化等等知识。

四、自学仿真的学习方法

我自己入门学有限元的过程，其实是在不断的碰壁和摸索中前进的。读研后我也曾去图书馆翻阅各种有限元教材，在满满一书架的有限元书中走过，我翻了差不多一个下午，最终只选定借走了两本书。其一就是后来张晔老师推荐的《有限元分析-ANSYS理论与应用》，这本书我当时也自己买了一本放在书架；另一本是刘笑天、江丙云等几位老师编著的《ANSYS Workbench有限元分析工程实例详解》。这本书现在已经绝版了，网上价格贵的离谱。

但这些教材对我来说也只是参考。我自己在入门学习的时候，读的最多的还是官方的帮助文档。对我自己来说，之前的课程已经打下了一定的理论基础，学习有限元的过程就是先理解软件基本的操作逻辑，然后用一个难度适中的实际项目案例做牵引，一边做一边解决其中遇到的技术难点。哪里的软件功能不懂了就去翻阅帮助文档，然后在电脑里记下笔记。

我后来学习HyperMesh、再后来学习Comsol、MSC Marc基本上也都是这样。HyperMesh我看过一段时间的教学视频，确实讲的很细，但那些功能点听完是真的记不住。我还是自己试着去理解软件下方Panel面板布局的总体逻辑，记住几个最基础按钮的位置，以及调出帮助文档的方式以后，需要用到啥功能就现场去查文档，用的次数多了就逐渐熟练了。

Comsol也是，跟着官方案例库做完两个例子，一边做一边动脑去想，设计者为啥这么安排整个软件的操作逻辑。把整套操作逻辑顺下来以后，感觉虽然Comsol的界面布局和其他有限元仿真软件有比较大的差别，但自身还是逻辑自洽的。

请教高手，事半功倍

相反，我自己虽然没有能请教过我的师兄师姐，但当我自己成为实验室的师兄后，我不想让我的师弟重走我的老路。

这个项目简单，建议你用ANSYS Workbench做。建模仿真的全流程我给你录屏操作一遍，别在基础功能上浪费太多时间。那个项目需要用到超算，可以考虑用Abaqus向超算提交inp输入文件。Abaqus的网格划分功能太弱，别和它死磕，早点去学一下HyperMesh。这个安装包拿去，装好以后我给你讲一遍操作流程。

是的。跟着帮助文档自学其实是效率很低的方式。如果你有幸在身边认识一位高手朋友，他又愿意帮助你，那么向他请教往往是比自学效率高得多的方式。有限元分析不是像体育、绘画、演奏乐器这样需要天赋和重复练习、肌肉记忆的工作，仿真分析当中很多知识和技巧就是一层窗户纸，一语道破很快就懂了。如果有老师愿意带着你的话，针对某一个具体项目，往往他几年的知识积累全部讲给你也只需要短短几天。

甚至包括遇到问题解决问题的思路、查阅帮助文档的技巧，这些更基本的方**也是可以学习和借鉴的。如果有幸近距离观摩一位高手遇到他暂时不会的问题时，尝试解决问题的全过程，也会给新入门的仿真工程师带来很大启发。

如果你的身边不幸暂时找不到这样一位愿意花时间传授你功力的高手，你也可以去网上各大平台找找不同老师的视频和文章。不可否认原始论文和帮助文档这样的第一手资料一般是最准确也最详细的，但不是所有人都有精力和能力啃得动它们。选择一位适合你节奏的老师，让他带着你完成入门，帮你打下知识基础以后，再向下深入才能事半功倍。

我认为，在请教高手或是网上找老师这件事上，有几件事需要特别注意。

第一件事是，要多做比较和尝试，选择最适合自己的资料。

每个人习惯的学习节奏和目的都不一样，适合自己的老师和资料也就会有不同。有些人理解能力强一些，如果老师讲的太慢、信息密度太低，不仅浪费时间还容易走神溜号。有些人学的比别人慢一点，每一步都要记下笔记或是自己跟着操作一遍软件，那就找适合自己节奏的书籍或者课程。我去图书馆翻书，经常做的一件事就是在一整个书架的同类书籍中依次翻开十几本，找到自己最有眼缘的几本书来读。

第二件事是，始终保持好奇心，保持学习的主动性。

所谓“师傅领进门，修行在个人”。个人修行成果的差异，就体现在是否能够举一反三，是否能根据老师讲的内容再向下深挖，从而自学达到更高的水平。有限元软件界面上那些陌生的按钮，各种奇怪的选项，它们背后都有什么含义？老师课上偶然提到的一些经验和结论，它们背后藏着什么原理？如果你一直以被动接受的态度跟着老师学习，那你听完课程以后，遇到新的老师没讲过的分析项目时还是两眼一抹黑不知道怎么做。相反，如果你带着好奇心出发学习，在学习中不仅听老师讲知识、讲结论，还能去思考借鉴学习老师分析问题的方法，课后翻开帮助文档，进一步查询自己感兴趣的软件功能背后的理论和用法。这样你一定可以很快赶上，甚至在自己的小领域里超过你的老师。