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推荐有限元学习资料,数十年的积累

 Esniper 2021-12-31

优秀的学习资料,可以十倍提升学习效率。

有限元分析,如果从软件使用角度来说,其门槛已经越来越低,几乎不存在:好像只要会点鼠标就能做仿真;但如果想要理解背后的数学概念,门槛又高的可怕:学习它可以有很多种路径,当真是横看成岭侧成峰,需要大量的数学和物理课程作为基础。

我在身边看到一些学习有限元的朋友,要么是从软件操作上手,学会了点鼠标以后很久都还没有在理论上入门;要么是从王勖成的那本砖头一样厚的《有限单元法》书入手,然后……大概率是没有然后,就被劝退了。

在这里我想分享一下,我自己认为的比较理想的有限元学习路径和学习资料,供各位借鉴、参考、讨论。

01

错误方案

说正确学习路径之前,先排除两个错误答案。

我很喜欢《论语·雍也篇》中的一句。子曰:“质胜文则野,文胜质则史。文质彬彬,然后君子。” 对于有限元学习来说,“质”可以指软件操作,“文”就对应理论基础的学习。二者不可偏废,应该相辅相成才合适。
所以第一个错误答案就是直接跟着“从入门到精通”的案例教程,一个一个案例做下来。学了大量软件操作,云图画出来花里胡哨,最后连von-Mises应力的物理意义都说不出来。这就是“质胜文则野”。
有限元仿真,或者说CAE,和三维设计CAD类的工具在基本逻辑上是有本质差别的。CAD和三维设计类的工具,就像排版工具Word一样,所见即所得,一个命令你不需要知道它背后的数学原理,只需要知道它能画出什么样的形状即可。而CAE的命令、算法和设置项,你修改后是没办法第一时间得到反馈的,使用选项A和选项B计算出的结果如果有差异,也很难通过某个通用的准则判断谁更准确。而如果算出来结果没差异,你就更看不懂这两个选项放在这的意义。
更细节的讨论这里不再展开。总之,只学习软件操作,把软件每一个功能、按钮的位置记住,这种方法或许能掌握Photoshop、能掌握三维建模软件、但不适合用来学习CAE仿真分析。
相对的,第二个错误答案是使用一本有限元分析的理论教材,从头开始推导每一个公式。在这里再次点名王勖成老师的《有限单元法》。我承认我的水平达不到王勖成老师的境界,但这不妨碍我坚定的认为它是一本烂书,并不遗余力的向身边所有认识的人宣传这件事。简单来说,这本《有限单元法》看上去好像很厚、好像什么都讲了,但仔细读又觉得每一个概念都没说透。原本就懂的人读了还是懂,但很难从书中得到进一步启发;原本不懂的人,读完这本书大概率还是不懂。哦不对,原本不懂的人大概率读不完这本书。既然“懂的都懂”,那要你何用?
其实在我看来,还可以再推广一下。以做仿真为目的(而不是写工业软件)入门学习有限元,如果你翻书推公式推了一个月,连仿真软件都还没碰过的话,那不管你用的是哪本书,读的教材写的多天花乱坠,这个学习路径也是错误的。这样就是“文胜质则史”。

02

正确方法

在我多年学习生涯中,我发现了一些写的非常优秀的有限元教学资料和教材。其中有很多是来自不同仿真软件公司的官方资料。不同软件的学习资料之间可以相互借鉴。

既然说要“文质彬彬,然后君子”,那就应该双管齐下,一手抓软件操作,一手抓理论基础。在我看来,学习者可以选择任何一款仿真软件来入门。具体选哪一个,可以根据公司/行业/课题组的经验等各种条件来选择。如果没有任何约束条件的话,建议从ANSYS Workbench入手。
在初步熟悉了一款仿真软件的操作,使用它算出一两个基本案例以后,可以对照参考下面的资料,对有限元相关理论做一个入门。

03

学习资料

下面这些学习资料排名不分先后。根据个人口味可以随意挑选学习。如果你有一定基础的话,都读完其实也花不了太长时间。

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首先是Comsol的多物理场仿真百科。
打开Comsol官网,http://cn./ 拖动到页面最下方就能看到 多物理场仿真百科 的链接。
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完整链接为:cn./multiphysics
这个页面中,以中文,简明的介绍了有限元法的基本概念,以及结构力学、流体力学、传热传质、声学、电磁学等物理场的基础知识。无论是作为入门教材,还是作为常备参考资料,都很不错。
在我看来,Comsol的多物理场仿真百科比较好的平衡了深度和篇幅,倾向于用最短的篇幅,尽可能清晰的覆盖到最基本的概念。它的行文和动图做的也非常漂亮。
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第二份推荐教材是来自Altair的电子书,《有限元仿真实践原理-学生参考书》。这是一本中文的PDF电子书,包含11个章节,设计有限元介绍、建模、网格划分、基本的分析类型和后处理等完整内容。这本书是用于辅导大学本科生使用Altair的HyperMesh和OptiSturct求解器参加大学生方程式赛车比赛而撰写的。
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这本书写的简明易懂,理论联系实践,行文中穿插着许多HyperMesh的实际操作。但即使抛开这些软件操作部分不看,单看理论讲解,这本书也是非常适合入门的教材。如果只看有限元概念部分,我认为它适合任何零基础的有限元仿真软件的使用者。

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这本书可以在Altair的企业网盘上下载到。也可加小编微信领取:
(暗号:Altair book)    
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第三份推荐资料是ANSYS Learning Hub上的课程。
网址:courses.ansys.com
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这套课程虽然是英文,但每一节的课件都非常简明清晰,后面还配有ANSYS Workbench操作案例习题。特点和Comsol的多物理场仿真百科有些相似,只讲仿真工程师需要掌握的最基础的物理概念。
课程包含流体、结构、光学、材料、电磁学等多个领域,但结构和流体的课程相对来说是体系最全面的。
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除此之外,一些中文的纸质书籍和视频当然也不错。比如:
周炬老师的《ANSYS Workbench有限元分析实例详解》两卷;
刘笑天的《ANSYS Workbench结构工程高级应用》;
尚晓江博士的《ANSYS Workbench结构分析理论详解与高级应用》
包括Abaqus的一些教材,江丙云博士主编的《ABAQUS分析之美》(这本更多是一些分析案例)、曹金凤博士的《Abaqus有限元分析常见问题解答与使用技巧》,还有王鹰宇先生翻译的《Abaqus分析用户手册》,等等。
《有限元分析-ANSYS理论与应用》,理论讲解简明易懂,ANSYS操作部分使用APDL界面。
以上这些教材,大部分我自己都买了纸质版。篇幅原因无法对每本书做更多详细介绍,我能保证的是,这些书都不是泛泛的“从入门到精通”那种只能用来垫高显示器的书。开卷有益,读者可以根据喜好选择。
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最后,还建议学习者可以关注各大仿真软件公司的官方媒体。各大仿真软件公司每年召开的用户大会、用户论文和报告,都是很不错的学习资料。
在用户论文里,或许不会有逐步细致的操作讲解,但大部分都是实际的工程问题。而且和在学术期刊甚至SCI期刊上发表的论文相比,仿真软件的用户论文还是相对比较好读懂的。这些用户论文或许能为你解决自己面临的仿真问题提供思路。
用户论文也和学习资料一样,他山之石可以攻玉。虽然每年的用户论文数量很多篇幅很大,不可能也没必要逐篇阅读,但哪怕仅仅是简单扫一眼,大概留下一个印象,说不定就能在未来某天给你带来解决问题的灵感。

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作者: 毕小喵

精选:王华军

编辑:刘义美 | 校对:栗夏

排版:李俊苗

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