FEM / CAE — 結構 · 熱傳 · CFD · 多物理場
此技能管理工程聲明 — 它不驅動求解器或簽署設計。 它與執行求解器的驅動程式/MCP（如 PyMAPDL、PyMechanical、Abaqus/OpenFOAM 驅動程式、OASiS、CAE MCP）配對；執行器負責執行；此技能決定一個結果是否可以被聲稱、在什麼層級，以及何時需要人類來決定。
概述
端到端地治理有限元素和 CAE 分析。與執行器配對（PyMAPDL、PyMechanical、PyFluent、Abaqus/OpenFOAM 驅動程式、CAE MCP — 參閱下方「治理層，非執行器」）執行器定位已安裝的求解器、建立輸入檔/腳本，並啟動無頭/批次模式；此技能則引導並審核理想化過程、讀取日誌以檢查收斂性、檢查/解析結果，並在每次運行中強制執行專業實務（理想化 → 網格化 → 連接 → 求解控制 → 收斂性 → 網格獨立性 → V&V）。此方法論與求解器無關；此處深入探討 Ansys / Simcenter / Thermal Desktop，並廣泛涵蓋 Abaqus、LS-DYNA、MSC/Simcenter Nastran、COMSOL、OpenFOAM、Fluent、CFX、STAR-CCM+、CalculiX、Code_Aster（參閱 references/software-landscape.md）。
核心原則（作為閘門強制執行）：
- 在未解決其離散化（網格/時間步長）誤差之前，沒有任何結果是可信的 — 在 ENGINEERING 模式下必須界定並說明（例如，最後一次細化後 QoI 的變化，或單一網格的 ZZ/SPR 估計），在 SIGNOFF 模式下必須完全證明其在漸近範圍內進行了 GCI 研究；未附帶任何誤差說明的單一網格數值永遠不是一個結果。再加上下方的收斂性檢查。
- 收斂的是關注重點量 (QoI)，而非峰值 — 尖角、點載荷、裂縫尖端處的峰值是永遠不收斂的奇異點。
- 大多數誤差源自前處理（理想化、邊界條件、連接）— 應優先處理這些決策。
- 確認在驗證之前；校準 ≠ 驗證 — 且代理在沒有運行證據的情況下不得聲稱簽署。
此 SKILL.md 是路由器。 詳細內容位於 references/ 目錄中 — 僅在相關主題被涉及時才載入參考資料。
何時使用
- 結構（靜力/模態/挫曲/非線性/顯式）、熱傳（穩態/暫態/輻射）、CFD（RANS/LES、CHT）、電磁學（低/高頻）、振動聲學/NVH、多體，以及耦合多物理場（熱-力、FSI、電磁-熱）。
- 破壞與耐久性： 斷裂/損傷容限、疲勞（包括振動/頻譜）、複合材料、塑性/安定/棘輪、挫曲與穩定性、碰撞/衝擊/墜落。
- 接觸、熱接觸電阻、螺栓/焊接/剛性連接；網格劃分與網格獨立性（GCI）；元素/求解器/單位選擇。
- 無頭/批次求解與結果解析；最佳化、校準、逆參數識別/模型更新。
- V&V / UQ；子結構/ROM；低溫/真空/太空船熱控。
- 決定代理可以自動化哪些無頭操作 vs. 哪些必須由人類執行（下一節）。
不適用於： 純 CAD 建模或更適合使用封閉形式手算的問題。
★ 代理能力與無頭 vs. 人類合約
精確定義誰做什麼。分類：AGENT-HEADLESS（完全可腳本化/批次，無 GUI）· AGENT-VIA-API（Python/Journal API，需要 Session + 授權）· HUMAN-GUI（必須至少互動一次）· HUMAN-JUDGMENT（代理不能單獨做出的工程決策）· LICENSE-GATED。每個平台的完整詳細資訊：references/agent-automation-boundary.md。
| 操作 | 分類 | 方式 / 原因 |
|---|---|---|
| CAD 匯入 | AGENT-VIA-API | PyMAPDL/PyMechanical/run_journal 匯入 STEP/Parasolid 檔案 |
| 幾何清理 / 大量特徵抑制 | AGENT-VIA-API + HUMAN-JUDGMENT | 可用腳本進行特徵抑制/擠壓；混亂的修復 + 抑制什麼是需要判斷的 |
| 網格劃分 | AGENT-HEADLESS (Ansys) · SEED-IN-GUI (NX) | PyMAPDL/PyMechanical 可完全無頭劃分網格；NX 的 .fem/.sim 模板無法在批次中解析 → 需在 GUI 中播種一次 |
| 材料建立/指派 | AGENT-HEADLESS | 所有平台皆可腳本化；提供與溫度相關的資料 |
| 接觸 / 連接 | AGENT-HEADLESS (建立) + HUMAN-JUDGMENT (類型) | 定義可腳本化；黏接 vs. 摩擦 / RBE2 vs. RBE3 是工程選擇 |
| 邊界條件與負載 | AGENT-HEADLESS | 可腳本化；代理不得自行發明負載工況 |
| 為最佳化暴露參數 | AGENT-HEADLESS (PyMAPDL *SET) · HUMAN-GUI (Workbench P#、NX Expressions、HEEDS 標籤) | 只有 PyMAPDL 可以無需 GUI 進行參數化 |
| 求解（穩態/暫態/非線性） | AGENT-HEADLESS + LICENSE-GATED | ansys -b, nastran.exe, tmgnx, abaqus job=, fluent -g, OpenFOAM, cfx5solve -batch, starccm+ -batch |
| 電磁求解（電機/射頻/渦流） | AGENT-VIA-API + LICENSE-GATED | PyAEDT (import ansys.aedt.core, non_graphical=True)、COMSOL/getDP 批次；端口/激勵/掃頻是工程設置 |
| 最佳化 / DOE / 校準 | AGENT-HEADLESS (PyMAPDL+SciPy, optiSLang -b, HEEDS CLI) + GUI-AUTHOR-ONCE | 在 GUI 中編寫研究/標籤一次，然後無頭執行 |
| 結果提取 | AGENT-HEADLESS | PyDPF、pyNastran (.op2/.f06)、.odb、SINDA .out、CGNS/VTK |
| 後處理圖片/圖表 | AGENT-HEADLESS | pyvista 離屏渲染、ParaView pvbatch |
| 相關性 / 模型更新（MAC、節點配對） | HUMAN-GUI | 互動式的測試↔分析節點配對是 GUI 工作 |
模板 / .sim / 專案編寫 (NX) | HUMAN-GUI | 模板註冊表在無頭模式下未初始化 → 預先建立一個種子，然後驅動它 |
| 授權 | LICENSE-GATED | 每個並行求解器實例消耗一個席位 |
代理絕不能自動執行： 獨自選擇理想化 / 元素 / 接觸類型 / 邊界條件 (HUMAN-JUDGMENT) · 接受一個固定在其實際物理邊界邊緣的校準旋鈕 · 將奇異峰值或不收斂的結果報告為結果 · 在沒有運行證據的情況下聲稱驗證 / 網格獨立性 / 簽署 · 未經授權執行不可逆的推送/覆蓋。
配對與執行器合約
此技能是治理層，非執行器。 將其與任何驅動求解器的工具配對（PyMAPDL、PyMechanical、Abaqus/OpenFOAM 驅動程式、OASiS、CAE MCP）：執行器運行；此技能管理聲明。 不要信任沒有來源的求解器輸出 — 一個結果只有在執行器返回以下內容時才可信：
- 運行清單 (
run_manifest.json，模板scripts/run_manifest_template.json) — 追溯性的主幹 (NAFEMS R0033)。 - 求解器名稱 + 精確版本 — 從檢測到的安裝程式的標題/
-help讀取，絕不假設。 - 輸入檔雜湊 + 結果檔案雜湊（例如，
.inp/.dat/.cdb和.rst/.rth/.op2的 SHA-256）— 將一個數值與產生它的精確輸入檔和結果連結起來。 - 命令 + 標誌證據 — 實際的啟動命令，根據該版本驗證標誌（版本對齊命令規則，第 0 步）。
- 隔離的工作區 — 一個乾淨的工作目錄；輸出寫入其中，絕不覆蓋先前的「最終」結果，除非帶有
superseded_by指標。
缺少此類來源的結果至多是一個 SMOKE/DEBUG 產物 — 應這樣表述（references/claim-templates.md）。
執行模式（每個任務選擇一個 — 設定強制性閘門以及您可以聲稱的內容）
| 模式 | 使用時機 | 強制性閘門 | 絕不能 |
|---|---|---|---|
| SMOKE | 證明環境/輸入檔/求解/解析能夠運行 | 第 0 步；求解完成；結果檔案已寫入且可讀取 | 聲稱任何工程數值；調整任何參數 |
| DEBUG | 找出失敗原因 | 針對症狀的一個決定性測試；如果是熱傳問題則需連接性閘門 | 將診斷性求解呈現為結果 |
| ENGINEERING | 可用的結果 + 合理性檢查 | 單位；連接性；反作用力/熱/質量平衡；收斂性；QoI 提取；奇異性檢查 | 聲稱簽署；報告奇異峰值 |
| SIGNOFF | 可辯護的 deliverables | 所有 ENGINEERING 的檢查 + 網格與時間步長獨立性（GCI、漸近範圍） + 可追溯的報告 + 誤差界限 | 跳過任何閘門；對不確定性含糊其辭 |
SMOKE/DEBUG 的結果是管道/物理檢查，絕不是工程結論 — 應標記清楚。
★ 聲稱前的自我檢查 — 在陳述任何工程數值之前，必須回答所有問題
這是讓此技能值得信賴的閘門。在您輸入一個應力、溫度、頻率、安全係數、阻力或「它通過了」之前， 回答這些問題。如果任何一個答案是否 / 未知，您就沒有一個結果 — 您只有一個 SMOKE/DEBUG 輸出：請這樣說並停止。
- 模式？ 我處於哪個執行模式，並且其強制性閘門是否已通過？（SMOKE/DEBUG ⇒ 不是工程結論。）
- 單位？ 是否已驗證一致的系統（1g-質量 / 手算檢查）？密度是否單位損壞？
- 離散化誤差是否已解決？ 網格和時間步長的誤差是否已界定並說明（SIGNOFF 需要 GCI；ENGINEERING 需要單一網格的 ZZ/SPR 估計）？一個孤立的單一網格數值永遠不是結果。
- 是否已排除奇異性？ QoI 是否位於一個角落 / 點載荷 / 裂縫尖端的人為產物？在引用之前應讀取遠場值或進行線性化處理。
- 是否檢查過平衡？ 反作用力 = 施加的力；熱/質量/能量平衡在容差範圍內；收斂性來自殘差歷史，而非退出代碼？
- 是否已指明容許值？ 是否存在相對於一個已命名的準則 / 設計規範的安全係數 — 而非一個赤裸的數字？
- 是否跨越了人類判斷的閘門？ 我是否在未告知的情況下選擇了一個負載工況、接觸類型、容許值、特徵抑制或簽署？如果是 — 停止並上報（
references/escalation-examples.md）。
然後使用 references/claim-templates.md 中的匹配模板來表述結果。代理在沒有運行證據的情況下絕不能聲稱簽署，也絕不能自我授權工程決策。 精確的求解器標誌 / API 呼叫本身也是一種聲明 — 根據第 0 步的版本對齊命令規則確認它們。
第 0 步 — 始終優先執行：環境探索
絕不假設版本或路徑。找出已安裝/已授權的內容，然後確認平台 + 物理場 + QoI。
Get-ChildItem "C:\Program Files\ANSYS Inc" -Recurse -Filter "ANSYS*.exe" -ErrorAction SilentlyContinue | Select FullName # MAPDL/Mechanical/Fluent/CFX
Get-ChildItem "C:\Program Files\Siemens" -Recurse -Include "nastran.exe","run_journal.exe","tmgnx.cmd","ugraf.exe" -ErrorAction SilentlyContinue
Get-ChildItem "C:\Program Files" -Recurse -Filter "abq*.bat" -ErrorAction SilentlyContinue # Abaqus; also `which icem`, OpenFOAM `foamVersion`
$env:ANSYSLMD_LICENSE_FILE; $env:LM_LICENSE_FILE
(Get-CimInstance Win32_Processor | Measure-Object NumberOfCores -Sum).Sum # 物理核心數
Linux: ansysNNN -b, nastran, abaqus, simpleFoam, fluent -g; 檢查 $LM_LICENSE_FILE, nproc。
版本對齊命令（規則）： 絕不發出一個您尚未驗證存在於檢測到的版本中的求解器命令、標誌或 API 呼叫 — 版本會重新命名標誌並使 API 發生偏移。在依賴某個命令/標誌/API 之前，請對照已安裝版本的 -help/文檔進行確認，尤其是在 ENGINEERING/SIGNOFF 模式下。
標準工作流程（按順序執行）
- 目標 + QoI — 驅動決策的純量（安全係數、變形量、頻率、峰值溫度、阻力）。不是「執行模型。」
- 分析類型 — 靜力/模態/挫曲/熱傳/CFD/耦合；線性 vs 非線性（材料？大變形？接觸？湍流？）。
- 理想化 （影響最大） — 1D/2D/3D；僅當幾何形狀和負載和邊界條件都對稱時才使用對稱；抑制無關特徵。→
references/meshing-convergence.md。 - 材料 — 正確的本構模型；與溫度相關的屬性；低溫時使用 ∫α(T)dT。→
references/material-modeling.md。 - 網格 — 元素階次/族、在應力集中處細化、品質閘門。→
references/meshing-convergence.md。 - 連接與接觸。→
references/mechanical-connections.md、references/thermal-contact-resistance.md。 - 邊界條件與負載 — 僅移除與模型的維度/類型相適應的剛體模式（一個不受約束的3D 實體有 6 個；2D、軸對稱、僅殼體和循環對稱的模型則不同）；在真實的面積上施加負載（絕不能有點負載/約束 → 奇異性）；自由體使用慣性釋放。→
references/advanced-methods.md。 - 求解控制 — 求解器類型、核心數、子步 + 容差。→
references/solver-numerics.md。 - 確認 — 平衡、網格/時間步長獨立性、收斂歷史。→
references/vv-uq.md。 - 驗證 — 與測試 / 手算 / NAFEMS 基準進行比對（校準 ≠ 驗證）。
- 後處理與報告 — 正確的度量、平均化 vs. 未平均化檢查、安全係數、已說明的假設。
一致的單位（選擇一個系統；求解器是無單位的）
| 系統 | 長度 | 力 | 應力/楊氏模數 | 質量 | 密度（鋼） | g |
|---|---|---|---|---|---|---|
| SI (m) | m | N | Pa | kg | 7850 kg/m³ | 9.81 m/s² |
| mm-t-s（常見 CAE） | mm | N | MPa | 噸 | 7.85e-9 t/mm³ | 9810 mm/s² |
密度是無聲的破壞者： 錯誤單位的密度在靜力學中可能通過，但會破壞所有動態/顯式/暫態熱傳結果。MAPDL 的 /UNITS 僅是中繼資料。透過一個 1g 質量檢查或一個手算的固有頻率來驗證。
元素選擇與網格品質（詳細內容：references/meshing-convergence.md）
- 二次元素（有中間節點）用於應力和彎曲幾何，特別是四面體 — 避免對應力使用線性 TET4（常應變 → 過剛，應力收斂慢；僅可作為遠離 QoI 的填充元素接受）。線性元素用於顯式/大變形。（剪力鎖死正確地影響了彎曲情況下完全積分的線性四邊形/六面體元素 — 寄生剪力；透過減縮積分、不協調模式或二次元素來修正 — 這與 TET4 的常應變剛度是不同的缺陷。）現代的二次實體元素可以處理中等的彎曲，以約 1 個元素穿過厚度作為起點（曲率驅動 — 透過收斂確認）；線性元素需要好幾個，而對精度要求高的彎曲則需要 ≥2 個二次元素。
- 殼體如果厚度/長度比 ≲ 1/10–1/20；3D 應力/穿過厚度則用實體；細長結構用梁。說明
…
[為翻譯而截斷]