普通人有限元分析入门方法：理论+软件+行业应用
导读：说到有限元分析的理论学习，我就觉得我上的那个好像并不是中国的大学，为啥随便来几个不是新手的人都是学过这么多课的，看过这么多书的，我上大学的时候不都是浪出来的么？我相信很多新手和我的感觉是一样一样的。首先，我以我目前的认知以及在网上很多人解答新手的问题来大致罗列下出镜率比较高的理论科目，并大致评估下学习需要的时间（假设我们从20岁开始为有限元分析打基础）。大学本科四年掌握：高等数学、线性代数、材料力学、理论力学、概率统计，这应该是绝大多数学校机械专业学的和有限元分析相关度比较高的有且仅有的五门基础课，多数人能把这几门课认真学完应该算是非常优秀的，到大学本科毕业24岁，这一阶段大多数人的步调基本一致。接下来开始：弹性力学（1年）；数值方法（0.5年）；有限单元法（1年）；振动力学（1年）；损伤力学（1年）；张量分析（1年）；线性空间（1年）；软件应用（0.5年）。把以上的内容相加，大概7年时间，WTF！这些学完已经30+了，这玩意我还是按照及其保守的时间，实际操作起来只会长不会短，有人说我可以一起学，有这种想法的人可以试试，或者去问问身边群里那些正在学习的人（这类人肯定不少，而且多数都是新手），听听他们学习之后的感受。已经参加工作的朋友们肯定知道，过了大学本科之后的阶段，还要学相关的产品设计，产品标准一大堆的东西，读书的还要应对考试，工作的每天还说不定要加班，还要谈恋爱，到了27岁以后还有要考虑结婚生孩纸，要照顾家里人，年纪大了记忆能力理解能力衰退，要学会这些玩意，我不太清楚按照现 在 的 社 会环境我们这类资质平庸的人如何实现，即使学个大概，估计30岁前能学完都谢天谢地了！所以这种学习方式适合那些精英群体（如果你不清楚自己是不是精英群体的，我想这样判断，反正高数、材料力学或者概率统计这些都是必修的，能够每本一个月内看完并且理解80%考试轻松过的，那可能可以步入精英群体行列了，如果做不到的，那应该就不是了），不适合一般的普通学习者，更加不适合在24岁之后就走上工作岗位的工程人员，所以我们这样的非精英群体该如何学习有限元分析的理论部分？我们多数人学习的目的是为了保证未来工作中的应用（这个是任何一门技术学习的核心，一定要牢牢记住，如果家里有矿学着玩的，也不用往下看）。如果我们不是从事科研工作，即使是仿真工作岗位，包括现在的工业软件开发岗位，张量分析和数值方法估计一辈子用不到；弹性力学在实际工作中的应用估计10%的内容就差不多了，而且可能还是其中最简单的那些内容，损伤力学在实际应用当中几乎不搞，企业就做最简单的疲劳测试，试验结果好就是好不好就是不好，从来不分析为什么不好，加强结构换材料最实际。这里要搞清楚一件事，损伤力学是研究材料怎么破坏的，企业做疲劳试验的目的仅仅只是验证产品是否合格，当结果不好的时候也不会用用到损伤力学去分析材料破坏原因！当然了还有一个现实问题，网上交流虚虚实实谁也分不清楚，很多伪精英报个书名露几个名词有没看过谁知道呢，有些事真不能太当真，当真就是输。所以如果前期我们直接入手这些难度颇高的理论问题，对于一般资质的新手学习者来说绝对不是好事，更多的只是打击学习者的自信心最终放弃。所以接下来我说说个人针对理论学习的看法，大家可以作为参考，其中肯定未必全部合适所有人：首先作为新人必须要有一本书能够了解有限元分析到底是什么东西的玩意，于是很多超级高深的教材成了主流学习者的首选！比如清华大学的那本有限单元法，但是这事我偷偷告诉大家一句实话：这本书在我学有限元前几年的时候连四分之一的内容都看不懂，而且更重要的是随着越往后翻越迷茫，到最后连继续翻的勇气都没有。千万注意，我的研究生阶段是固体力学方向，比多数机械专业的同行更接近有限元分析，（所以我也很佩服那些真正能够把这本书啃完的大神，不包括记住书名和作者的那部分人）我只是一个普通工科学生，毕业后走得也是工程师路线，所以后来我意识到这本教材并不适合我，但是我比别人运气好，我的导师当时推荐我看另外一本书，这本书现在想来确实改变了我学习有限元的状态，从痛苦折磨变成了一件愉快且有动力的事，这本书也是我经常推荐给大家的《有限元分析-ANSYS的理论和应用》，作者是莫维尼，如下图（电子版纸质版满世界都是）。关于这本书我也在2019年前后录制了一套《有限元分析-ANSYS理论与应用》的同名视频，同步发展在B站、仿真秀和公 众 号，大家有兴趣的自行查找。这本书的难度基本就是大多数学习者在目前的知识体系下稍微跳一跳基本能掌握。看懂这本书之后，就有了一定有限元理论的基础，接下来其实你再选择看任何程度的有限元书籍就是个人自己的选择，即使不再看别的书，以一个分析工程人员的背景，这本书里的知识已经足足够用，我个人并不建议仿真工程人员再前3年接触别的有限元理论教材。但是这里我要强调的一点是，不管是难的还是简单的分析理论教材，如果未来想从事和有限元分析相关的工作，一本关于有限单元法的系统性教材是一定要的，而且一开始不管是多简单的有限元理论教材，多数人都是没法轻松看懂的！所以即使我说的这本所谓的简单教材也只是相对其他同类型的书来说的，预计这本书看懂基础好的差不多要2个月时间。在了解并且系统性学习有限单元法的同时，有一门科目一定是要补：材料力学。材料力学本来也就是弹性力学固体力学的前置学习科目，所以这门课非常重要，而且材料力学在工程应用中绝大多数的设计计算公式都是材料力学以及它的衍伸，去翻翻钢结构设计手册或者机械设计手册上那些产品设计公式，绝大多数都只需要材料力学的基础知识就可以了，这也从侧面说明对于大多数工程人员来说不管是做设计做实验做仿真做理论计算，大多数力学知识体系应用只到材料力学。所以学好材料力学对于一个机械设计工程人员来说无比重要，不论你是否未来会走上仿真这条路。材料力学之后其他力学问题呢，比如弹性力学、固体力学、损伤力学等等，这些力学我个人建议是至少在学习有限元分析分析的前三年甚至前五年不要系统学习，即使遇到了其中一部分内容，针对问题查找资料论文，目前的网络资源如此强大，想掌握某个体系当中的局部知识是一件非常容易的事情，如果我们花大量的时间去掌握这类系统知识，不仅仅浪费有限的时间，最大的可能性是把我们学习有限元分析的热情和动力消耗殆尽。材料力学学完之后，有两个方面的知识我认为是要提前准备的：振动力学和疲劳理论。尤其是振动力学，振动力学这个玩意是相对于材料力学比较独立的学科，而在实际应用又非常广泛。但是这门课也同样有个问题，非常难，等遇到问题再去通过网络或者手头资料局部针对某个章节学习掌握的可能性不大，所以提前系统学习这个方向是非常必要的，而且学好振动理论的性价比很高，机械几乎所有的行业都涉及到；第二个就是疲劳，疲劳的学习我个人建议就按照目前几个主流有限元软件的界面把不懂的名词百度下然后把相关知识联系起来就足够了，如果有好的微 信 公 众 号加上看一看，基本也就懂了，没必要专门看书学习，疲劳现阶段只存在非常粗糙的分析价值，但是实际企业又非常喜欢搞这一套，所以作为新手疲劳的分析只要掌握最基础的那些计算就可以了，不需要花费太多的时间，如果基础足够扎实，其实这一块到遇到问题再学习也是可以的。最后还有三门课，线性代数、概率统计和高等数学，这三门课我想在有限单元法、材料力学和振动力学在系统学习过程中，一定会涉及到大量的线性代数和高等数学知识，在学这些科目的过程中辅助交叉学习线性代数和高等数学，等差不多这些科目看懂了，基本上线性代数和高等数学你要用的那些知识体系也自然学好了，没有必要单独学习，这样学习就会很有针对性。但是有一门比较特殊的课程就是概率统计，概率统计这门课在之前的所有科目中是很少关联涉及的，但是却很重要。首先，概率统计是一种思想，在机械制造行业中，大量的材料属性问题、失效问题本质是概率问题，关于这句话可能只有深入学习了之后才会有所感悟；其次有限元分析工程人员其实有一个非常重要的技能：实验，包括实验设计、实验数据统计这些都是有限元分析工程人员需要掌握的基本技能，所以概率统计这本书最好找一本和实验结合的教材并系统学习，至于学好实验设计和概率统计的重要性在后面实际工程应用篇会涉及到，至于大家又不知道看什么书的，我这里也推荐一本：《实验设计与分析》。以上的科目算是工程人员入门有限元分析要掌握的科目，而且远远足够。有了这些科目的基础，即使后期提升更高级别的理论知识都会非常轻松，但是从我个人的体会来说，我们这种普通工程人员实际工作基本遇到的问题都在以上这些知识体系之中，只多不少，而这些内容的学习除了有限单元法知识和振动力学外，其他都是在大学本科就已经涉及，所以对于新人来说学习的难度大大降低，至于弹性力学数值方法这些问题，我们可以通过实际项目过程中的具体问题通过网络等途径碎片式学习。在此我还要提醒大家，我们始终是工程师，即使是走专业分析工程师路线的人员，掌握了以上知识体系之后，学习机械设计、标准化设计、产品理论、工艺生产基础等等知识性价比远远高于学习弹性力学、数值方法等问题，用现在提地比较多的一句话就是：工科理科化问题可能并不可取。当然如果有的学习者不在意时间或者仅仅是因为兴趣学习的话，这种情况就不在我讨论的范畴之内了。最后整体总结下之前所说的理论学习套路：在前三年或者前五年的学习中，一本难度适合自己的有限单元法教程进行系统学习；材料力学、振动力学和疲劳的系统性学习；试验与概率统计系统性学习；在学习以上内容的过程中学习涉及到高等数学和线性代数的相关知识；在以上体系完备之后或者学习的同时可学习机械设计、标准化设计、产品理论、工艺生产基础等理论知识；在实际项目过程中碎片化学习其他更高级的理论教材。从学习有限元分析至今，我接触过的分析软件按照时间顺序依次是：ANSYS经典、LSDYNA、Workbench、HYPERMESH以及Solidworks Simulation，可以看出来我算是ANSYS的忠实用户，而且我的主要工作也是做有限元分析企业项目，和多数人员学习有限元分析的目的基本类似，就是为了验证产品性能，所以我觉得可以在学习软件操作方面给大家一点点借鉴思路。由于篇幅原因，大家点击《普通人有限元分析入门方法二：软件学习篇》查看。
四、普通人有限元分析实际应用
普通人有限元分析入门方法之实际应用，才是多数学习者关注的核心，只有达到本篇文章的要求才算是有限元分析真正意义上的入门，才能在工作中为我们带来实际的价值增值体现。
我所说的仿真学习入门的判定指标如下：
1、针对某个分析模块能够解决独立大多数不同类型的产品在该模块下的分析问题，比如我们最常接触的就是静力学模块，那多数产品的静力学问题要会自行独立解决，这里特别强调独立，现在很多学习者所谓的独立也都和我的定义不一样了，自己能够去网上问一个问题等待别人来解答这不叫独立，自己查资料看帮助在不寻求他人的帮助下解决问题这才叫独立；
2、分析结果的最低要求不能出现明显不符合产品实际趋势的结果，比如应力最大位置不是实际产品疲劳断裂位置，最大变形结果严重违背现实趋势等，有条件的情况下能够进一步提供切实有效的验证方案和验证指标，并且能够提供包含结论的分析报告。
有人说以上两点要求高了，这要怎么实现，我想说的是以上两点不是我给大家的标准，而是各位找工作的标准。无论任何技术，如果达不到这两点，即使在短期内因为个中原因进入了某家优质企业，时间久了也会被扫地出门。
由于篇幅原因，详细内容大家点击《普通人有限元分析入门方法之三：实际应用学习篇》学习。
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