《有限元仿真实践原理》常见错误

本文摘要（由AI生成）：

本文深入探讨了CAE（计算机辅助工程）工程师在不同职能部门中可能犯的错误及其防范策略，旨在提升工作效率与质量。文章首先分析了组织层面的错误，包括模型检查、输入/输出错误、经验传承、网格划分、跨部门沟通等多个方面，强调了细致入微的工作态度和团队协作的重要性。同时，文章也指出了建模和可视化过程中的常见错误，如几何简化、网格划分、材料单位一致性问题等，并提供了相应的解决方案。通过本文的探讨，我们深刻认识到，CAE工程师需以严谨的态度和科学的方法 论进行工作，同时注重跨部门沟通、持续培训和合理资源管理，以确保分析的准确性和有效性。

1.1 组织类的错误

接下来我们将分享不同职能部门的CAE工程师易犯的错误。

CAE工程师：

• 提交任务时没有检查模型（应该由两位工程师相互检查）：检查他人的模型是一件非常枯燥且不乐意接受的工作，但此项工作却非常重要且需要尽心尽责。模型应该反复检查所有的细节，确保高质量，并将失误率降到最低。

  举个例子，一家CAE服务供应商提交了一个网格模型给他们的老客户，除了材料属性，其他都非常不错。终端用户的分析工程师多年来已经习惯了这家CAE供应商提交的没有错误的模型。因此，他没有检查模型的材料属性，就开始盲目分析。在设计后期，发现了该模型分析结果和以前类似分析的结果有很大区别。经过仔细检查模型后，分析人员才意识到是材料属性的区别。因此，请在提交工作之前再仔细检查一遍，然后再让你的同事检查一遍。同时也要求你的客户在进行分析前从各个方面再检查模型一次。

• 输入/输出错误：有些前处理软件并不会输出所有的单元和边界条件，除非设置了相应的控制选项或使用特殊转换器。一个CAE团队针对某特定求解器输出一个大规模网格的模型，一些特殊单元（如RBE3单元）由于转换器的问题无法输出。这些单元是模型中额外的连接，在模型检查中不会影响刚体模态。求解器完全按照输出的模型进行求解。根据CAE的结果，CAD工程师设计出产品样品。测试结果将与分析结果不一致，导致修改产品设计。CAD新数据将反馈给网格小组，这样也只是改变了局部设计结构，而没有在最初的模型连接关系上做修改。但是这次，CAE团队有了全新的前处理软件，输出将保证100%成功，所有的单元包括前期没有输出的单元也将输出。新的结果将同原始结果有很大的不同，在仔细检查模型，对比单元数量后，分析人员才意识到部分刚体单元丢失的问题。几百个工程师同时开展相关工作，包括CAD、原型、测试、规划人员等等，谁负责产品延迟以及相应的损失呢？是分析人员还是服务供应商还是前处理软件？强烈建议在给客户模型之前，导入网格模型，检查所有网格质量，并对比每一个类型的单元数量，如三角型单元、刚性连接、弹簧、质量块等。

• 经验是最好的老师：CAE工程师通常需要较高的资历，经验丰富，知识广博并知道如何解决问题。新工程师最好的老师，毫无疑问是这些经验丰富的老工程师。软件培训人员或者工程咨询人员往往并不会了解客户到底需要哪些东西。每个公司都应该鼓励和特别激励老工程师分享他们的经验。

• 网格划分被认为是技术含量低的工作，硕士或博士不愿意在网格划分上花费时间：有时在硕士和博士中会出现一些危险的倾向，他们觉得网格划分是一件技术含量低的工作，自己完全能够胜任，不应该在这上面花费时间。大厦尚需良基，网格划分是CAE的基础。至少在最初几年，分析人员应该被鼓励去进行网格划分。

• 分析人员不愿意访问产品部门、测试部门，也不愿意去学习产品制造、功能或失效的相关知识：坐在空调办公室的电脑面前，提交一份漂亮的计算报告不会让CAE工作很成功。经常拜访测试部门，观察结构的各个组成，对比实际与模拟的表现等是完全必要的。了解产品如何工作、如何制造、如何测试、实际表现如何，将大大的提高CAE工作的质量。

• 提供关于数据测量和测试的相关培训：强烈建议针对CAE工程师开展关于数据测量和测试的基础培训。

• 没有考虑时间、软硬件能力而无谓强调建模细节：有限元分析是一种近似方法，无视当前的软硬件资源而过分强调细节将导致问题复杂化。例如，当分析一个结构时，失效发生在实体结构，则此时螺栓应该简化，用梁单元和刚性单元连接代替。

• 忠于特定软件并对学习使用新软件存在抵触：工程师使用特定的软件多年，不愿意更换到新的软件。没有一款商业软件是完美的，每一个软件都有其优缺点。在服务行业，最关心的是工作效率和质量。尽管一款软件很好，但是需要更多的时间，那么最好使用耗时少的软件。有时组合使用两种软件效率更高。例如网格划分采用一款软件，而网格质量改进和重划则使用另一款软件。CAE工程师应该忠于他的职责而不是软件工具。

• 在设计链中，设计工程师才是最重要的人，而不是CAE工程师：CAE工程师通常需要很高的资历，薪水很高，有时会形成这样一种观点：CAE工程师是设计环节中最重要的人。但应该注意的是，设计工程师才是设计环节最重要的人，CAE工程师的职责是为设计师提供分析服务。

• 在建议改进时，没有考虑到制造约束和成本因素：有时CAE工程师给出建议，既不符合制造工艺也没有考虑成本控制。例如，很容易提出增加高应力区域的部件厚度，或者使用高强度的材料，或者改进结构设计，却没有考虑制造工艺。CAE工程师应该多跟设计和制造工程师沟通。

CAE市场工程师

• 接受超出他们能力的工作：有些市场工程师接受新的项目，仅仅因为公司的名气或者项目内容庞大，却没有考虑技术团队和软硬件的能力和限制。

• 承诺不切实际的时间进度：有时市场工程师承诺在给定的时间内完成任务，但是在当前软件以及团队资源状态下根本无法完成。严格按照时间表来推进进度，高质量完成工作是非常必要的，并能反映公司的市场成功。贴心沟通，让人印象深刻的说明以及其他因素能给客户带来良好的第一印象，但是如果没有严格按照时间表来高质量的完成任务，再好的印象也只会灰飞烟灭。

CAE经理以及团队领导：

• 没有咨询CAE工程师就提交了任务：实际上在拜访客户期间，非CAE技术的经理会参与会议并提交任务，而没有事先咨询负责的工程师。

• CAE经理/领导应该在该领域具有多年的经验，而不能是其他领域的专家：具有CAE经验的经理能理解CAE工程师面临的困难，并在必要时有能力帮助他们。CAE工作被称为是白领的工作，但其需要经常加班，并且由于产品紧凑进度伴随着巨大的精神压力。像这样来自经理或者领导的回复：“不要问我，那是你的工作；你应该知道这些简单的东西；如果你不会我们就找其他人；我需要结果而不是问题，没有好的结果，不要再来我的办公室。”会严重打击CAE工程师的积极性。

• CAE流程管理：CAE流程管理帮助组织获取知识，确保CAE的最佳实践，在CAE流程自动化、流程向导和流程集成上会很有用。它使组织可以执行标准的CAE流程，包括自动载荷施加，同CAD、PDM系统、数据系统、其他的IT系统以及应用交互，获取最佳实践模板。它还可以保存知识，当人员离职时，它使组织依然可以改进产品设计，并使不同技能的CAE工程师可以稳健的开展工作。

系统管理员：

• 不愿修复电脑软硬件相关问题：一个有15个工程师的团队，至少需要15台工作站。电脑，毕竟是机器，终究会出问题。如果不能提供良好状态的电脑并且快速地修复软硬件故障，那么CAE工作很难开展。一个知识广博的系统工程师对CAE团队是异常重要的。

• 不正确的数据备份流程：在项目攻坚阶段或者中间节点阶段数据损失的代价非常高。想象一下，我们怎么能跟客户说：我们的工作快做完了，但是系统崩溃了，没有数据备份，一切不复存在？CAE经理和系统工程师的主要职责便是安排好日常数据备份，使得每一位员工下班前都做备份。另一个良好的建议是：在操作过程中每隔三四个小时，就保存一次不同的文件。

人力资源

同岗不同酬：在许多公司里，最不显眼的部门便是HR。在CAE部门里，同样的工作和资历但薪水不同是很常见的。当有紧急招聘时，HR通常给出较高的薪水。当CAE工程师了解到新来的员工有高很多的薪水时，他们会感到很沮丧。常常会导致HR招聘了一个新的工程师，却离开了两位老员工。

1.2建模和可视化

以上总结从组织的角度反映了常见的失误，以下总结是关于建模和可视化的错误。在分析中，FEM求解器会报告警告和错误，警告可以认为是提醒，比如单元质量较差，而错误则会导致程序停止。错误可能是由于极端扭曲的单元、丢失材料信息、刚体 位移引起的约束不足等因素导致的。

以下列出建模常见错误，以引起对建模错误的重视。更多的建模陷阱详细信息在本书其它章节给出了介绍。

• 几何简化

在许多情况下简化模型以获得更好的网格质量是十分必要的。例如，最小单元尺寸不能小于X，为了达到网格尺寸要求，必须将微小的倒角去除，如下图所示。尽管简化是必须的，但是必须注意，此有限元模型不同于原始几何模型。

• 网格划分

在模型中使用什么类型的单元？为何使用此类型单元？以前使用过吗？你可以用3D单元划分三维薄壁结构，比如六面体和四面体单元，也可以使用二维单元来划分这个结构的中面。

除了决定使用二维还是三维单元，还需要开展一些关于四边形和三角形单元、六面体和四面体单元之间不同数值特性的考量。

另一个常见建模错误是单元尺寸问题。最终目标是分析结果不依赖于网格尺寸，通常需要细化网格重新开始分析，来检查仿真的收敛性，关键部位的网格尺寸应该细化。

最重要的是网格质量，单元不仅仅反映CAD模型，有限元结果依赖于单元。任何偏移理想单元形状的单元，将导致数值误差，而该误差通常很难评估。

在下面的模型中，部分单元并不是共节点的，单元局部没有匹配节点。单元没有耦合节点的地方被红色 区域标记出。

然而有限元软件并不会提示任何警告或者错误信息。如果该网格并没有共节点（模型没有检查自由边）那么此模型的错误将不会被发现，直到检查分析结果时。如下图所示，此位移并不连续。

此外还需注意单元的法向。如下图所示，一块板承受弯曲载荷，单元下表面Z1的应力在中间部分有突变，由受拉变成受压。

下面的图片可以帮助理解这个问题。绿色 区域Z1位于板结构的上表面（收拉），蓝色 区域的Z1位于结构的下表面（受压）。

• 材料

单位系统的不一致代表另一类常见的错误，比如混淆了毫米和米、千克和吨等。在转换单位制时要特别小心，单位制错误不会引起任何的警告信息，除非在该单位制下模型分析失败。

• 边界条件和载荷

在施加边界条件和载荷的时候尤其容易发生错误。举例来说，在HyperMesh的临时节点上施加约束将导致建模错误。

图中黄色的临时节点并不是有限元模型中的节点，这种情况会导致结构没有被约束或者载荷没有加上，容易引起刚体 位移或错误的结果。

• 可视化

在奋战多时之后终于建好模型可以开展分析，分析人员会心花怒放，这时候往往查看结果时会粗心大意，不注意查看细节。特别如果是有限元新手，对云图显示不是很敏感的时候。永远要第一时间检查位移和应力的幅值。尽管位移或应力分布看起来合理，你可能会发现小应变分析位移幅值大到10E4mm或者线性材料应力高到1000MPa。