9.通過試驗測試驗證分析結(jié)果

試驗測試和數(shù)值仿真如同產(chǎn)品研發(fā)的兩條臂膀，二者缺一不可，互為補充，互相促進在現(xiàn)代的大型企業(yè)中，這兩種模擬手段都是不可或缺的。

試驗測試的優(yōu)勢在于測試對象是真實的零部件，更接近工程實際，但試驗測試的成本很高，制造試件和完成測試的時間都很長，需要測試很多樣本才能避免統(tǒng)計誤差，如果要修改設(shè)計方案，則需要重新生產(chǎn)試件，重復整個試驗過程。

數(shù)值仿真的優(yōu)勢在于可以靈活方便地模擬各種設(shè)計方案、支撐條件和載荷工況，大大節(jié)省時間和人力物力成本，但正如前面所介紹過的，數(shù)值仿真過程中不可避免地要作各種簡化和近似，計算結(jié)果的準確程度取決于建模方法和所輸入?yún)?shù)的正確性。只有借助于試驗測試的驗證，才能在長期的實踐中逐漸摸索總結(jié)出正確的數(shù)值仿真建模方法。

在工程實際中，數(shù)值仿真和試驗測試的結(jié)果總會有一定程度上的差異。根據(jù)筆者的個人經(jīng)驗，對于應(yīng)力或應(yīng)變結(jié)果，如果數(shù)值仿真結(jié)果和試驗測試結(jié)果的差異小于 5%，就是很理想了;對于疲勞壽命，如果二者之間的差異小于 30% 就可以說是相當吻合了。例如在高周疲勞的 S-N 曲線中，如果斜率為 5，則5% 的應(yīng)力異對應(yīng)的疲勞壽命差異為(1 +%)-1.即28%。另外，疲勞壽命的試驗測試結(jié)果本身離散度就非常大，測試同一一零部件的一組試樣時，各個試樣的疲勞壽命可能相差幾倍。

10. 得出能夠指導實踐的結(jié)論

建立了正確的模型，得到了準確的分析結(jié)果，CAE 工程師的全部工作是否就已經(jīng)完成了呢?在科技期刊上的有限元論文中，經(jīng)?？梢钥吹筋愃朴谝韵聝?nèi)容的結(jié)論:“部位 A 是危險部位，其最大主應(yīng)力值為·····;部位 B 發(fā)生了塑性變形，最大的等效塑性應(yīng)變?yōu)椤ぁぁ?部位 C的位移量最大，位移值為···...”

如果是在高?；蚩蒲性核M行理論研究，可能到此就可以說是課題完成了，但對于企業(yè)研發(fā)部門的 CAE 工程師，這樣的結(jié)論一般來說還不夠。企業(yè)所需要的結(jié)論是:危險部位 A是否可能發(fā)生破壞?部位 B 的塑性變形是否會影響產(chǎn)品性能?部位 C 的位移量是否在允許的范圍之內(nèi)?并給出一錘定音的結(jié)論這種產(chǎn)品的設(shè)計是否可行，是否可以投產(chǎn)。

這樣的結(jié)論確實很難做出，往往需要多年的實踐經(jīng)驗。另外，做出這樣的結(jié)論要擔負重大的責任，而這也正是 CAE 工程師的價值所在。在現(xiàn)代企業(yè)中，負責 CAE 的高級主管要在設(shè)計方案上正式簽字，對于飛機、汽車等涉及安全性的產(chǎn)品，如果因為設(shè)計不當而出現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量問題，造成重大事故，CAE 部門的相關(guān)人員負有不可推卸的責任，嚴重時甚至會被追究法律責任。

具體如何根據(jù)有限元分析結(jié)果來判斷產(chǎn)品設(shè)計方案的可行性，各大企業(yè)一般都有成熟的內(nèi)部技術(shù)規(guī)范，有些情況下客戶會提出一定的要求，例如疲勞壽命或變形量需要達到的某種標準。

如果無法確定數(shù)值仿真結(jié)果的準確程度如何，可以在不同設(shè)計方案之間作比較。例如某種產(chǎn)品已經(jīng)按照設(shè)計方案 A 入了大批量生產(chǎn)，質(zhì)量良好，在新推出設(shè)計方案 B 時，可以比較這兩種方案的有限元分析結(jié)果(前提是二者的建模方法、模型參數(shù)、網(wǎng)格密度都基本相同)。如果方案 B 的結(jié)果不遜于方案 A，就可以比較有把握判斷，方案B 也是可的。即使這兩種方案的有限元分析結(jié)果都不十分準確，但一般來說，這兩個結(jié)果的相對變化量還是比較準確的。

11.優(yōu)化和改進產(chǎn)品設(shè)計

優(yōu)化和改進產(chǎn)品設(shè)計，是 CAE 工程師的重要職責之一。CAE 工程師需要多年的實踐經(jīng)才能拿出切實可行的方案。在優(yōu)化和改進的過程中，主要應(yīng)考慮以下因素。

1) 力學性能:例如應(yīng)力、應(yīng)變、位移、疲勞壽命等。需要注意的是，力學性能并不是越高越好，過高就可能是所謂的“overdimensioned”，即尺寸過大，使用了過多不必要的材料，無謂地增大了成本和質(zhì)量。對于很多機械產(chǎn)品，疲勞壽命有幾倍的安全系數(shù)就夠了。

2) 材料和質(zhì)量:如上所述，現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品的發(fā)展趨勢是“輕薄短小”，在滿足強度和使用功能的前提條件下，追求使用最少的材料，達到最輕的質(zhì)量。例如，汽車制造商對于每個零部件的質(zhì)量都有嚴格的限制，盡管一輛汽車重達幾噸，但如果其中某個部件能夠減輕幾十克的質(zhì)量，都會令汽車制造商很感興趣，因為一輛汽車中包含上萬個部件，如果每個部件都能減輕幾十克，其總和就是非?？捎^的。

3) 尺寸和空間的限制:修改零部件的尺寸和外形時，應(yīng)考慮與相鄰部件的空間位置關(guān)系，不要引起裝配沖突。

4)零件加工的可行性:例如，過于復雜的幾何形狀是否會導致鑄造困難，是否能夠滿足車床和磨床的工藝要求等。

5)裝配的可行性:例如，產(chǎn)品內(nèi)腔內(nèi)有螺栓連接，就需要為裝配生產(chǎn)線留出放入螺栓

的通道。

6) 成本:上面各個因素 (材料、尺寸、零件加工、裝配)，都涉及到成本的問題。無論其他方面如何出眾，如果一個設(shè)計方案帶來了過高的額外成本，這個產(chǎn)品就很難在競爭激

烈的市場上生存。下面舉幾個常見的例子:

1輛汽車的售價是幾萬甚至幾萬美元，而汽車生產(chǎn)商可能因為幾美分的價格差異而優(yōu)先選擇某個零部件生產(chǎn)商的產(chǎn)品，因為汽車年產(chǎn)量幾十萬輛，如果每輛車的成本節(jié)省幾美分，其總和就是數(shù)萬美元的成本差異。

2陶瓷材料的力學性能和重量方面都優(yōu)于鋼，但陶瓷軸承始終無法成為主流的工業(yè)軸承，其材料價格高是一個主要原因。

3提高產(chǎn)品疲勞壽命有多種方法，例如，通過精磨來降低關(guān)鍵部位的表面粗度值通過感應(yīng)淬火來對關(guān)鍵部位作熱處理等，但這都意味著生產(chǎn)成本的提高，不能隨意采用。

工程實際中的有限元分析涉及多個不同的方面，以上僅僅是筆者的一些個人心得。所謂運用之妙，存乎一心”，書本上的知識是有限的，要想成為一名優(yōu)秀的 CAE 工師，更多地還是需要讀者自已在實踐中摸索總結(jié)，積累經(jīng)驗。