武漢華工激光工程有限責(zé)任公司

機(jī)械工程師進(jìn)階

首先，千萬不要以為機(jī)械只是搞結(jié)構(gòu)，更不要以為結(jié)構(gòu)只是使用PROE、solidworks或者其他什么軟件……

其實(shí)搞機(jī)械機(jī)構(gòu)的有個(gè)先天優(yōu)勢(shì)，那就是什么產(chǎn)品都是以結(jié)構(gòu)為平臺(tái)的，你往哪里發(fā)展都有可能。搞結(jié)構(gòu)能讓你對(duì)產(chǎn)品有更直觀的理解，讓你更嚴(yán)謹(jǐn)，更切實(shí)。

另一方面，搞結(jié)構(gòu)的是個(gè)漫長痛苦的鍛煉過程，但是一旦練就本領(lǐng)，多老都不怕，甚至越老越吃香。

根據(jù)我自己的從業(yè)經(jīng)歷，我隨便列幾條我認(rèn)為搞結(jié)構(gòu)的人的發(fā)展路徑（個(gè)人看法，），依次為：

菜鳥1級(jí)：

會(huì)使用AUTOCAD畫一些簡單的二維圖，根據(jù)這個(gè)圖，你能想象產(chǎn)品的三維形態(tài)。

菜鳥2級(jí)：

你的二維圖上能夠看到公差，材料，表面處理，工藝技術(shù)要求等信息了。而且這些信息是你自己標(biāo)上去的，你知道他們意味著什么。

菜鳥3級(jí)：

你會(huì)畫二維圖了，并且你畫的圖看上去真的能加工出實(shí)物來了，盡管有時(shí)候會(huì)犯一些錯(cuò)誤，例如精度要求高的的連德國人都做不出來，更何況你們車間的張師傅。應(yīng)領(lǐng)導(dǎo)的要求你能用一些三維軟件出個(gè)效果圖看看，雖然沒什么實(shí)用價(jià)值，至少很有成就感。

入門1級(jí)：你已經(jīng)很清楚你的產(chǎn)品是怎么加工出來的了，而且了解每一道工藝工序的意義何在。如果需要改進(jìn)，你也大體上能夠判斷從那里入手，對(duì)改進(jìn)后可能產(chǎn)生的影響，你也能猜到一二。這個(gè)時(shí)候，你已經(jīng)對(duì)深刻的認(rèn)識(shí)到二維工程圖遠(yuǎn)比三維模型有意義的多。你開始鄙視那些只會(huì)用三維軟件建一些三維模型的所謂機(jī)械工程師。

入門2級(jí)：你開始了解什么叫企業(yè)信息化。知道了三維設(shè)計(jì)其實(shí)很有用，并且可以把你熱愛的工藝信息融入到三維設(shè)計(jì)中來。這個(gè)時(shí)候你應(yīng)該已經(jīng)能夠熟練地應(yīng)用三維軟件設(shè)計(jì)一些常用的零部件，并且生成足以指導(dǎo)生產(chǎn)的二維工程圖，或者直接拿到數(shù)控設(shè)備上加工出來。

相關(guān)人士1級(jí)：你已經(jīng)能夠使用相關(guān)設(shè)計(jì)軟件管理生產(chǎn)了，包括設(shè)計(jì)出圖，零部件清單管理（BOM）；你對(duì)生產(chǎn)流程已經(jīng)很清楚，能夠識(shí)別技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)并著力解決；甚至已經(jīng)開始嘗試?yán)�用有限元分析進(jìn)行強(qiáng)度、疲勞等的分析，并且可以輕易的寫篇洋洋灑灑的設(shè)計(jì)文檔出來，忽悠菜鳥是不成問題了。而且如果你還沒有當(dāng)上設(shè)計(jì)主管的話，可能是人際關(guān)系上需要再努把力了。

相關(guān)人士2級(jí)：你已經(jīng)隱隱約約的感受到簡單而重復(fù)的設(shè)計(jì)出圖是在浪費(fèi)你的時(shí)間，因?yàn)檫@些東西你已經(jīng)爛熟于胸。你更希望有更多的時(shí)間去致力于提升產(chǎn)品的整機(jī)競爭力，比如如何降成本，如何改進(jìn)工藝流程，如何提升設(shè)計(jì)效率。你能夠看到你的產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)、材料、功能上還有不足，你能夠意識(shí)到這不是你一個(gè)人能改變的，你開始利用周邊的技術(shù)資源進(jìn)行系統(tǒng)的考量，制定產(chǎn)品競爭力提升的計(jì)劃，并列出技術(shù)節(jié)點(diǎn)去一一攻破。

相關(guān)人士3級(jí)：這個(gè)時(shí)候你已經(jīng)超越“結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”的范疇了。你應(yīng)該很清楚，你的產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)上已經(jīng)沒什么潛力可以挖掘了。但是圍繞著結(jié)構(gòu)，你能夠關(guān)注到整機(jī)產(chǎn)品的各個(gè)特性需求，在EMC、散熱、噪聲、安規(guī)、環(huán)境、人機(jī)工程、DFX（DFM可制造性、DFI可安裝性、DFA可裝配性、DFT可測試性）等等一系列領(lǐng)域都能夠靈活滲透應(yīng)用，一體提升產(chǎn)品的核心競爭力；

級(jí)別高：對(duì)整個(gè)產(chǎn)品的核心競爭力負(fù)責(zé)，是你的基礎(chǔ)工作了。同時(shí)，你要了解國內(nèi)外制造業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，知道你的產(chǎn)品要在歐洲或北美銷售會(huì)面臨什么樣的門檻，需要提供什么樣的認(rèn)證，你怎樣提升你的產(chǎn)品來滿足這些需求。你還必須對(duì)競爭對(duì)手的產(chǎn)品了如指掌，能夠一針見血的指出對(duì)方的短木板，和你自己產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)所在。你了解行業(yè)動(dòng)態(tài)，能夠預(yù)見將來5年甚至十年該產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)，并制定長期的發(fā)展戰(zhàn)略，指導(dǎo)你的手下進(jìn)行相關(guān)的技術(shù)積累。

如何成為一個(gè)合格的分析工程師

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中能夠充分考慮到多種因素，可以使設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品更加可靠和具有市場競爭力。但是在傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，工程師所依靠的常常是設(shè)計(jì)規(guī)范和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于常見結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以保證結(jié)構(gòu)的安全性，不能保證設(shè)計(jì)的優(yōu)性，不利于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，這樣的設(shè)計(jì)甚至連使用的可靠性都無法合理的考慮。在這樣的背景下，計(jì)算機(jī)輔助分析開始在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中發(fā)揮出越來越重要的作用。作為現(xiàn)代數(shù)值模擬方法在工程領(lǐng)域的應(yīng)用，計(jì)算機(jī)輔助分析可以在設(shè)計(jì)階段對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核、優(yōu)化，使工程師在產(chǎn)品未生產(chǎn)之前就對(duì)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性、安全性有所認(rèn)識(shí)。

在各種CAE的工具中，有限元方法是相對(duì)較為成熟的，也是在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣的。在有限元天地中，將介紹有限元分析的相關(guān)理論和學(xué)習(xí)有限元程序的經(jīng)驗(yàn)。由于本人有經(jīng)驗(yàn)所限，有限元分析天地中所指分析將特指結(jié)構(gòu)分析。

在本文中我將談?wù)勅绾纬蔀橐粋�(gè)合格的有限元分析工程師。作為一個(gè)合格的有限元分析工程師，至少應(yīng)該具備以下三個(gè)方面的技能和經(jīng)驗(yàn)：

·堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，包括力學(xué)理論（對(duì)于結(jié)構(gòu)有限元分析工程師）和有限元理論

·必要的程序使用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)常用的商業(yè)有限元分析程序能夠熟練應(yīng)用

·工程實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于不同的工程問題能夠準(zhǔn)確的做出判斷和確定分析方案

在這三個(gè)方面中，比較容易解決的是程序使用，通常盜版軟件和程序教程是很容易獲得的，一般通過一些練習(xí)題就可以很快掌握程序的使用。所以，有很多初學(xué)者在用幾個(gè)練習(xí)題熟悉了一個(gè)或幾個(gè)程序以后就以為自己可以做一個(gè)分析工程師了，這是較端錯(cuò)誤的。

練習(xí)題與工程分析的差別在于，在做練習(xí)題的時(shí)候，拿到手邊的已經(jīng)是簡化好的模型了，結(jié)構(gòu)已經(jīng)簡化好了，分析類型已經(jīng)設(shè)定，邊界條件和載荷條件已經(jīng)確定，計(jì)算完成后，能夠看到和教材上一致的結(jié)果就算是完成了。在這個(gè)過程中，學(xué)習(xí)者只學(xué)到了程序如何使用，這個(gè)過程，不用說大學(xué)生，高中生都可以完成。

在做工程分析的時(shí)候，情況就完全不同了，沒有人給你指定模型的簡化、分析類型，邊界條件，在計(jì)算完成后，還需要對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。在這個(gè)過程中，程序的使用變成了整個(gè)分析過程中的技術(shù)性低的一個(gè)環(huán)節(jié)。一個(gè)完整的工程分析的流程是怎樣的呢？

首先是問題的提出，在工業(yè)實(shí)踐中，提出問題的部門通常是設(shè)計(jì)部門或生產(chǎn)部門，設(shè)計(jì)部門會(huì)提出要求對(duì)某一設(shè)計(jì)進(jìn)行某一方面的驗(yàn)證或優(yōu)化，生產(chǎn)部門會(huì)提出對(duì)在產(chǎn)品生產(chǎn)或使用過程中出現(xiàn)的缺陷或問題進(jìn)行分析和解決。通常情況下，由于分工的不同，設(shè)計(jì)或生產(chǎn)的工程師對(duì)于有限元分析是沒有經(jīng)驗(yàn)的，他們提出的問題是模糊的，例如說，設(shè)計(jì)工程師會(huì)問，在某種情況下，我的設(shè)計(jì)安全嗎？生產(chǎn)工程師會(huì)問，為什么這個(gè)產(chǎn)品會(huì)壞呢？

然后是問題的分析，這個(gè)過程是需要結(jié)構(gòu)分析工程師與設(shè)計(jì)工程師或生產(chǎn)工程師共同完成的。接到設(shè)計(jì)工程師和生產(chǎn)工程師提出的問題時(shí)，先對(duì)問題做一個(gè)初步的判斷，是什么樣類型的問題，然后對(duì)問題進(jìn)行調(diào)查，作出是否需要進(jìn)行下一步的有限元分析。

接下來，如果決定要進(jìn)行有限元分析，就需要更仔細(xì)的分析了，需要決定以下幾個(gè)問題：分析目的和分析規(guī)模，結(jié)構(gòu)簡化與計(jì)算規(guī)模，邊界條件和載荷條件，建立模型的方式，計(jì)算結(jié)果的分析方法。等這幾個(gè)問題決定后，就可以開始計(jì)算了。

在計(jì)算結(jié)束以后，就需要對(duì)結(jié)果進(jìn)行可信度的評(píng)價(jià)，即要確定計(jì)算結(jié)果是所設(shè)定問題的正確模擬，獲得了和實(shí)際問題足夠近似的結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，才能按照預(yù)先定好的結(jié)果分析方法對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。根據(jù)分析的結(jié)論，才終向設(shè)計(jì)和生產(chǎn)部門提供可靠的建議和意見。

上面是粗略的介紹了工程有限元結(jié)構(gòu)分析的一個(gè)基本的流程。從這個(gè)流程中，利用程序處理一個(gè)設(shè)定好的問題只是其中的一個(gè)步驟。那么在這個(gè)流程對(duì)前面提到的三個(gè)方面的技能和經(jīng)驗(yàn)是如何體現(xiàn)出來的？在整個(gè)流程中應(yīng)該注意一些什么關(guān)鍵問題呢？

工程有限元（結(jié)構(gòu)）分析的基本流程：

對(duì)問題進(jìn)行初步分析（決定是否進(jìn)行有限元分析）->詳細(xì)分析（對(duì)分析進(jìn)行計(jì)劃）-> 進(jìn)行有限元分析-> 結(jié)果分析->問題解決

在接到設(shè)計(jì)部門和生產(chǎn)部門提出的問題時(shí)，工程判斷（engineering judgment）非常重要，要了解問題的狀況，提出問題的目的，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)做出初步判斷。并非所有接到的問題都是需要進(jìn)一步分析的，有限元分析也不一定是解決問題的佳手段。在工程中，能夠用少成本和短時(shí)間解決問題的手段才是的。要做出正確的初步判斷，需要有通過解決大量工程問題積累的經(jīng)驗(yàn)，需要對(duì)常見問題的理論有清晰的解決思路，需要對(duì)有限元方法的能力和局限有清楚的認(rèn)識(shí)，同時(shí)對(duì)于可能進(jìn)行的有限元分析需要的時(shí)間和人力有準(zhǔn)確的判斷。這個(gè)過程中要充分和設(shè)計(jì)工程師及生產(chǎn)工程師進(jìn)行溝通，盡量獲取更多的資料和數(shù)據(jù)，避免模糊的直覺判斷，無論是否要進(jìn)行下一步分析，都要提出有理有據(jù)的建議。

在決定需要進(jìn)行有限元分析后，對(duì)即將要進(jìn)行的分析的理論和本質(zhì)要有深刻的認(rèn)識(shí)，對(duì)自己所可能使用的程序的能力也要心中有數(shù)，避免不合理和不切實(shí)際的分析計(jì)劃。運(yùn)用理論和經(jīng)驗(yàn)上的判斷，決定計(jì)算的模型、規(guī)模和類型。能夠用盡可能簡單的模型，盡可能短的時(shí)間得到解決問題所需要的分析結(jié)果是在制定分析計(jì)劃中的基本原則。

熟練的運(yùn)用商業(yè)有限元程序進(jìn)行有限元分析，需要對(duì)程序有深刻的認(rèn)識(shí)，做到每輸入一個(gè)參數(shù)都清楚知道這個(gè)參數(shù)的意義和作用，這其實(shí)也需要理解有限元和力學(xué)的理論，僅僅熟悉程序的界面是不夠的。

獲得分析結(jié)果后，問題并沒有解決，設(shè)計(jì)和生產(chǎn)部門需要的是簡單有效的結(jié)論和方案。能夠從紛繁復(fù)雜的數(shù)據(jù)中尋找問題的解決方案，需要的仍然是理論和經(jīng)驗(yàn)。

下面我將談?wù)勛鳛橐粋�(gè)合格的分析工程師在應(yīng)該具備那些理論知識(shí)、如何和怎樣使用那些程序，同時(shí)介紹一些通用的工程經(jīng)驗(yàn)。

隨著有限元在工業(yè)領(lǐng)域的普及，F(xiàn)EA成為CAE的重要組成部分，同時(shí)也帶給大家一個(gè)感覺，CAE嘛，當(dāng)然是COMPUTER重要。說到這里，我想到一個(gè)人，就是我碩士時(shí)的導(dǎo)師，作為北大數(shù)學(xué)力學(xué)系的畢業(yè)生，在60年代分配去做反應(yīng)堆工程，作了一輩子的核設(shè)備力學(xué)分析。他到這個(gè)研究院后，開始主要是手算解決力學(xué)問題，然后是從打孔計(jì)算機(jī)開始編程計(jì)算，然后從SAP4，ADINA用到了SAP84。在我入學(xué)時(shí)，計(jì)算工具已經(jīng)是ANSYS5.4和MARC7了，操作系統(tǒng)也變成了UNIX，他已經(jīng)不會(huì)這些工具了，但是在日常的分析工作中，遇到問題時(shí)，無一不是他解決的。他給我說的一句話，至今讓我受益。"無論用什么程序，要清楚你輸入的每一個(gè)參數(shù)的來龍去脈"。正是這樣，他得以幫助我們解決分析中遇到的問題。透徹的了解所分析問題的理論基礎(chǔ)是做一個(gè)分析工程師所必須的條件。

大多數(shù)公司對(duì)有限元分析工程師的基本學(xué)歷要求都是工學(xué)碩士。拋開目前國內(nèi)人才市場學(xué)歷貶值的因素不談，我覺得這個(gè)要求是非常合理和必要的。因?yàn)檫M(jìn)近些年，在大多數(shù)的工科院校里，除了工程力學(xué)有經(jīng)驗(yàn)外，很少在本科階段開設(shè)有限元理論的課程，另一些做有限元分析的必要理論課程，如彈性力學(xué)，塑性力學(xué)，變分理論也多在碩士階段才開設(shè)。因此有時(shí)看到一些公司在招聘有限元分析工程師時(shí)，學(xué)歷要求僅僅要求大�；虮究�，便覺得有些懷疑。并非學(xué)歷歧視，只是覺得如果要以大專或本科的教育背景，可能需要做更多努力才能勝任這樣的職位。

作為一個(gè)分析工程師到底需要什么樣的理論基礎(chǔ)呢，也許有人覺得過分強(qiáng)調(diào)理論的重要性有些吹毛求疵了。在這一部分中，將系統(tǒng)介紹一下分析工程師必須具備的理論知識(shí)，限于本文的寫作目的，本章不會(huì)涉及細(xì)節(jié)的理論。在未來的寫作中，我計(jì)劃將分別來對(duì)本章提到的學(xué)科和課程進(jìn)行詳細(xì)的講解，對(duì)自己所學(xué)也系統(tǒng)梳理一遍。

在大學(xué)中，我們首先學(xué)到的是數(shù)學(xué)，對(duì)于有限元分析，數(shù)學(xué)同樣是基礎(chǔ)的了。除了對(duì)微積分有深刻認(rèn)識(shí)外，由于在力學(xué)領(lǐng)域會(huì)涉及到較多的偏微分方程，應(yīng)此對(duì)數(shù)理方程應(yīng)該了解，同時(shí)，由于有限元分析是數(shù)值計(jì)算方法，矩陣論和計(jì)算方法作為數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)，是必須要掌握的。另外的便是變分方法和復(fù)變函數(shù)了，對(duì)于有限元分析工程師，個(gè)人認(rèn)為這兩門課程不是必須的，因?yàn)閷?duì)于大多數(shù)工程力學(xué)分析問題，已經(jīng)有現(xiàn)成的變分過程可查了，有一點(diǎn)變分的知識(shí)就好了。

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