029 有限元分析

工業霸主 029 有限元分析

人們日常所看到的電焊火花也叫作電弧，如果在進行焊接的時候，用一層焊劑把焊接點覆蓋起來，則電弧就會被埋在焊劑之下無法看見，這種焊接工藝被稱為埋弧焊。埋弧焊的這一特點使得焊接熔池受到焊劑的保護，焊縫中雜質較少，從而焊接質量較高。埋弧焊很少采取手工操作的方法，而是由專門的埋弧焊機自動完成，因此也稱為埋弧自動焊。對于二類壓力容器制造企業來說，擁有埋弧焊機是重要的考察指標之一。

技術科長范世斌和容器車間主任馮旭都曾經在石化機參觀過埋弧焊，對于埋弧焊機的工作原理有一些感性的認識，但具體到內部是如何工作的，他們就說不清楚了。

林振華作為一名機械專業的研究生，對于埋弧焊的工作原理自然是十分熟悉的。埋弧焊在那個年代算是一項比較新的技術，但到了林振華生活的年代，就是非常普通的技術了，隨便一本焊接工藝教程上也會有焊機的原理圖。朱鐵軍無意中向林振華說起埋弧焊的事情，本來還只是想問問林振華是否聽說過這項技術，誰知幾天以后，林振華居然直接就把一套焊機的圖紙交到了他的手上。

有了圖紙，并不意味著就能馬上制造出一臺埋弧焊機，許多相關的技術參數，例如焊接電流、電弧電壓、焊絲直徑、焊絲傾角、焊接速度等，都需要經過實驗才能確定。后世的教材上當然也有這些參數的內容，但林振華不可能記得如此清楚。更何況，有些參數是要根據實踐情況進行調整的，焊劑的成份不同、鋼材的種類不同，都會影響到參數的選擇，這些問題只能通過反復的實驗來解決。

攻關小組在朱鐵軍的帶領下成立了，林振華干的第一件事就是給大家上課，講解埋弧焊的原理和工藝要領，漢華機械廠最有水平的一群工程師和電焊工都坐在下面聽課，其中包括了林振華的準丈人楊春山。朱鐵軍也抱了個筆記本坐在邊上記錄，這小老頭雖然是行伍出身，但對于工業技術也有著深厚的興趣。

“小林，聽你介紹完，我覺得心里就有數了。不過，你說這么多參數都要測試，那我們豈不是要做幾千次實驗？”范世斌質疑道。

“幾千次實驗？那得做到什么時候去啊？”電焊工郝松林嘀咕道。

“幾千次實驗也不算多。”胡楊插話道，“掌握一項技術，幾千次實驗是非常正常的事情。過去咱們國家從蘇聯引進某項魚雷技術的時候，為了掌握魚雷的航跡，生生打了幾百枚魚雷，一枚就是好幾萬塊錢呢。”

“既然胡師傅都這樣說了，那咱們就開始試吧。小華，你開出工作單來，我們按著你的要求做就是了。我們十幾個電焊工，大家一起上，幾千次實驗也快得很的。”楊春山爽快地說道，他是林振華的鐵桿后盾。

朱鐵軍猶豫道：“幾千次實驗，得花多少錢啊？小林，有沒有什么更好的辦法，最好能少做一些實驗。”

林振華嘆了口氣，說道：“唉，其實也可以不用實驗這么多次的，如果能夠構造出幾個參數的變化曲線，那么選擇少數節點來進行實驗就足夠了。”

朱鐵軍問道：“小林，你說的什么曲線，我不懂。不過，你說怎么樣才能像你說的那樣，什么構造出曲線什么的。”

林振華道：“構造這些曲線需要涉及到一些計算，如果有計算機的話，這些計算倒也是挺容易。可是，現在上哪去弄計算機啊。”

范世斌咂舌道：“這個還是算了吧，我光聽說省計算中心有一臺計算機，用一個小時就要好幾百塊錢，而且還得開介紹信才能用，咱們哪用得起。”

胡楊問道：“小林，你說的計算，需要用到什么知識。咱們沒有計算機，如果發動全廠有點文化的工人一起來算，是不是可以？”

林振華搖搖頭：“老胡，這個計算可不是四則運算，我是要做一個有限元分析……”

“你說什么？有限元？”胡楊眼睛里冒出異樣的光芒。

“呃，反正就是一種計算方法吧，叫什么名字無所謂。”林振華趕緊打著馬虎眼，有限元這個詞對于漢華廠的人來說，實在太有難度了。

誰知，胡楊卻是咬住了不放：“小林，我曾經在機械雜志上看到過有限元這個概念，可是不知道具體怎么回事，莫非你會？”

林振華硬著頭皮道：“我也是勉強知道一些，不過，要做一個最簡單的有限元分析，也得涉及到矩陣、微分方程之類的運算，這個恐怕……”

胡楊轉頭對朱鐵軍和范世斌說道：“朱廠長，范科長，你們都知道的，我有高中學歷，而且這些年也比較喜歡看點書，小林說的矩陣和微分方程，我都懂一點。要不，我主動請纓，配合小林做有限元分析，你們看可以嗎？”

“當然可以。”范世斌和朱鐵軍對了一下眼神，當即表態道：“要說起來，這些東西我在念大學的時候也是學過的，可是這十多二十年沒用，都已經忘得差不多了。我剛才盤算了一下，咱們廠能夠做矩陣運算的，估計一個巴掌就能算得過來，他們的情況和我都差不多。如果胡師傅還能記得，幫著小林做這個運算，那是再好不過了。”

朱鐵軍站起身來，說道：“好，今天就到這吧，胡師傅，你和小林討論一下這個叫什么元的，看看能不能幫著小林做下來。埋弧焊這個事情，我們是一定要做的。如果你們通過計算，能夠少做一些實驗，那是最好的。實在不行，幾千次實驗就幾千次實驗吧，能把二類容器證書拿下來，我們花點錢也是值得的。”

眾人都帶著對林振華的崇拜之情散去了，只有胡楊留了下來。林振華看看胡楊，愁眉苦臉地說道：“胡師傅，你真的打算手工來做有限元分析？”

胡楊點頭道：“沒錯，計算機能做的事情，人也能做。只是，我沒學過有限元分析，具體是怎么回事，我還不清楚呢，你能給我說說嗎？”

林振華道：“胡師傅，你先告訴我，你對于矩陣和微分方程到底掌握到什么程度，你說你是高中學歷，這些東西可不是高中的知識哦。”

胡楊微笑道：“小林，我這個人沒別的愛好，就是比較喜歡學點新鮮玩藝。我雖然只有高中學歷，可是高等數學的東西，我也都自學過。我說句大話吧，矩陣和微分方程這些，一般的題目肯定難不住我。”

“那好，我就給你講講有限元分析吧。”林振華道，“所謂有限元分析，就是用一些比較簡單的問題代替復雜問題后再求解。它的核心思想，是把一個復雜問題的解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的而且是比較簡單的近似解，然后推導求解這個域總的滿足條件，從而得到問題的解。”

胡楊認真地聽著林振華的講解，嘴里念念有辭地重復著，像是要強行把這些知識填到腦子里去。

林振華說完這些，有些不放心地問道：“胡師傅，你看我這樣說，你能明白嗎？”

胡楊點點頭：“我大致明白了，這個思想其實應當有很長時間的歷史了，微積分的思想，不就是這樣嗎？”

“沒錯。”林振華道，“不過，有限元方法正式被提出來，還是在60年代的時候。短短十幾年時間，現在這個方法在西方工程學界已經被普遍應用，幾乎涉及到了所有的技術領域。”

胡楊眼睛里掠過一陣陰霾：“唉，看看咱們這十幾年，凈是瞎折騰了，也不知道國外都已經跑得多遠了。”

林振華連忙安慰他道：“胡師傅，你也別急，咱們現在開始追也來得及。黨中央不是已經提出科學的春天了嗎？像你這樣自學成才的工程師，肯定會大有用武之地的。”

“不說這個了。”胡楊擺擺手，“小林，你還是跟我說說，有限元分析具體是如何做的。”

“好的，我們先從一個簡單的例子來看……”林振華攤開一張紙，給胡楊寫了一個模型，然后開始循序漸進地向胡楊介紹有限元分析的基本思路。

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