初学者如何打开ABAQUS力学有限元仿真的大门

news2025/1/21 8:49:32

作者 | 静安仿真秀专栏作者

导读：明年6月，笔者即将研究生毕业，从最初摸爬滚打一个人自学有限元力学仿真，到现在已经有三年多了。我研究方向是静力学仿真（Abaqus）和基于python的Abaqus二次开发。时至今日，我仅仅才摸到力学仿真的大门，各种辛苦，冷暖自知。但我坚信，在力学仿真这条路上，我还有很长的路要走。

曾几何时，我走过很多的弯路，甚至迷茫不知所措。有限元法是什么方法呢？可以用来解决哪些问题？应用场景多吗？未来的就业前景如何？有限元法求解结果时常备受质疑，其求解精度高吗？又如何去保证有限元求解的精度?只学习过理论力学、材料力学的小白又该如何学习有限元法？…………

以上这些问题在学习期间一直困扰着我，其中的一些问题随着学习过程的深入逐渐清晰明了，趋近成熟。本文笔者将结合自己学习力学仿真的经历，对以上问题进行回答，希望能对后来者有所帮助，且能少走一些弯路。如有不恰当之处希望大家能够多多批评指正，共同进步。

文章主要包括一下几个章节：

有限元是什么？
就业前景如何？
有限元求解精度如何？
力学仿真路线（静力学）
我的视频教程

一、有限元法是什么

有限元法是什么？这是首先要搞明白的一个问题。简单来说，有限元法就是偏微分方程组边值问题的一种数值解法，一切可以用偏微分方程组描述的问题都可以用有限元方法来进行求解。结构力学、流体力学、电磁学、声学等问题的都可以用偏微分方程来描述，因此这些问题都可以用有限元方法来进行求解。近些年来，由于商业有限元软件Abaqus、Ansys等的逐渐成熟和大范围被推广，企业和大学院校也越来越重视有限元仿真。

二、就业前景如何

结合笔者今年秋招求职的经历来看，力学仿真这一块的人才需求是极大的。通信行业华为、中兴，汽车行业小鹏、蔚来、吉利，手机行业小米、vivo、oppo、荣耀，电器行业美的、格力，无人机行业大疆，电池行业宁德时代，传统机械行业三一集团，还有海康威视、京东方等，都有很大的力学仿真人才需求。

另外，航天等科研院所也很重视力学仿真人才的吸纳。因此，在笔者看来，力学仿真目前已经在各行各业被越来越广泛的应用，未来的发展前景会越来越好。对于立志从事力学仿真的从业者来讲，就业机会多样，有很好的个人发展前景及空间。

在求职的过程中，笔者切实的感受到企业是非常渴望能够招到优秀的力学仿真人才的。在面试过程中，公司不仅会考察求职者对有限元基本理论及基本通用有限元软件的掌握情况，更注重考察求职者理论联系实际的能力，会重点关注求职者参与的科研项目的难易程度、有限元方法在科研项目中的应用、有限元仿真的结果是否符合实际情况及是否进行相关的实验验证等等。

希望后来者能够在掌握有限元基本理论、相关有限元操作的同时，能更多的参与到相关的科研和工程项目中去，着重应用有限元方法去解决项目中遇到的难题，将理论与实际问题相结合。

三、有限元的求解精度如何？

有限元法从被提出到现在有几十年的历史了，有限元法的相关基本理论在数学上已经得到了严格的证明。虽然有限元法是偏微分方程组边值问题的一种数值求解方法，得到的结果不是精确解，但如果求解方法得当，能够得到满足求解精度的结果。为了得到更加准确的求解结果，可以通过以下的措施来实现：

在不影响求解精度的前提下对实际模型和建模过程进行合理的简化
对几何模型划分更多的单元，使离散后的单元模型更接近几何模型
在不改变单元数量的情况下，使用高阶单元

对于一个实际的力学问题，只是在有限元软件进行相关仿真得到结果，在很多时候是不具备很强的说服力的。因此，在仿真结束后，需要进行相关的实验来对仿真的结果进行验证及对仿真的过程进行修正，使有限元理论模型更加接近实际情况，最后得到具有说服力的仿真结果。

四、力学仿真学习路线（静力学）

力学仿真不仅仅只是学会使用有限元软件对力学问题进行求解，得到一些应力、位移云图等等，笔者觉得更重要的是，学习者能够在掌握有限元法的基本理论和求解方法的基础之上，能够理解有限元软件仿真过程实现的内部机理。只有这样，才能对仿真模拟的结果进行准确的评判和修正，最终得到满足要求的求解结果。

因此，我觉得力学仿真的学习主要分为以下三个部分，第一是有限元理论学习，第二是有限元软件学习，第三是有限元法的实际应用。在学习有限元方法之前，最好学习过基本的力学课程《理论力学》《材料理论》。

1、有限元理论学习

对于有限元理论的学习，结合笔者的学习过程，有如下建议：

首先、学习河海大学邵国建教授在中国大学MOOC上开设的国家精品课程《弹性力学及有限单元法》，使用的主教材是《弹性力学简明教程》（徐芝纶，第五版）。通过该课程的学习，能够初步掌握弹性力学三大类基本方程、两类边界条件和有限单元法的基本理论及计算步骤，为运用有限单元法解决生产实际中的弹性力学问题打下基础。