認識CAE
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 認識CAE 

什麼是CAE?
Computer-Aided Engineering(計算機輔助工程):應用電腦來分析模擬實際的物理問題,均可稱為CAE。
若以白話的方式來說,CAE是瞭解即產品「壞掉」的一門學問:

「什麼時間可能會壞掉?」
「哪個部位可能先壞掉?」
「可能如何壞掉?」
「使用起來是否舒適?」

 
學理的說法是,CAE是利用“虛擬實驗”的方式在產品生產前預測生產後的結果,可以事前有效發現問題並改善。例如由:結構、熱傳導、流體流場、結構振動、振動噪音、多物理場耦合…等問題對模型所產生的影響會不會造成我們的產品壞掉,經過以上CAE項目測試過後,就可以確保我們的產品 :

1. 精度又高
2. 比較耐用
3. 進一步優化產品特性
4. 有效的讓工程師縮短工作時程
5. 企業能夠縮短產品上市時間

CAE涉及的範圍
應用領域:沒有限制,幾乎任何領域都可應用。

CAE分析的類型很多,例如結構應力分析、變形分析、振動分析、流體流場分析、熱傳分析、電磁場分析、塑膠射出成型流動分析、機構運動分析等,都是CAE領域,也在我們的生活中大量被應用著,您一定不陌生:

■ 土木結構計算及高樓是否耐震
■ 高速列車進站時的風壓對站體影響
■ 車輛碰撞及風阻係數分析
■ 電子產品散熱
■ 鞋墊耐衝擊測試
■ 衛星軌道輻射熱

顯然,我們生活周遭有許多無形的CAE應用,一直在改善我們生活。

產業常見的問題與需求:以下列舉一些產業常見的CAE分析需求


 
 



 

工具機台必須具備足夠的剛性才能確保加工精密度

 

大客車的車身骨架必須符合法規,具備能夠避免骨架塌陷導致人體受到傷害的強度。


 

耐疲勞壽命:
產品結構任一點的應力是否過高?評估在動件機構反覆測試後, 產品可以承受多少次的使用壽命? 利用CAE非線性分析, 可精準預測機構件在作動過程的應力變化,並搭配疲勞分析,可以預測承受多少次開合後會破壞,例如:飛機起落架、交通工具上的螺絲。
 
 

減重設計:
利用CAE 拓樸優化,可以指導設計在不影響結構強度的情況下完成減重設計。



風機流量分析:
利用FLOW流體分析,可以分析風機的性能曲線。


掉落測試:
手持式產品會進行裸摔測試。

 

 

系統散熱分析:
散熱是任何可靠設計都要考慮的重要部分,散熱無論在性能和產品使用安全性與產品壽命方面,都有著重要的作用。

燃油車輛的動力是由燃料在引擎內燃燒爆發的膨脹壓力產生動力,燃料燃燒產生高溫,引擎的高溫除了車輛外型的導流設計帶走大量的熱,也有設計散熱用的水箱、風扇。許多車輛常常因為水箱或水管漏水造成引擎溫度過高發生拋錨。


現在的電腦動不動就以G來計算,若散熱不好,發出的熱能對電腦的穩定性會造成很大的影響,大部份的當機就和散熱有相當的關係。

 



CAE牽涉的學科
前述提到CAE涉及的範圍幾乎是沒有限制的,那背後支持的學門有哪些呢?這邊簡單先舉兩個例子分享。

下面兩圖表為由下而上依序觀看,從基礎科目到進階科目。意思說想要了解圖表最上層的知識,則建議底下的科目都需要先閱讀過,才會會比較容易應用與理解上層的知識。

例如:想要了解〝振動與模態分析〞則建議需要依序閱讀過:
微積分>工程數學>靜力學>材料力學>動力學>振動學>結構動力學,才會比較容易上手。


說明:

  1. 結構強度分析:最主要是避免工件受到外力而壞掉,這樣的話就跟材料的性質、重量、結構形狀有關係。(看參數:力、應力、應變、變形量… )
     
  2. 振動與模態分析:主要是避免工件發生共振而損壞,是結構分析的進階版,且加入動力學的概念,確保結構在動態的負載下不發生共振。(看參數:可能發生共振的自然頻率和模態形狀… )
     
  3. 疲勞與耐久性分析:避免模具大量重複使用而壞掉,且物理疲勞和耐久性測試極其浪費時間且成本高昂,因此評估產品壽命的最佳方式是進行耐久性和疲勞分析。
     
  4. 運動分析:主要就是做機構的分析,所以考慮的是會動的物體且加以做模擬。 (看參數: 位置、速度、加速度、時間…)
     
  5. 結構輕量化設計與最佳化分析:探討怎麼設計會最輕、最耐用、又最好看。
     
  6. 振動噪音量測與分析(NVH):討論如何降低振動所產生的噪音問題,進而影響產品的耐用度、整體舒適度、耗能大小與可靠度。諸如: 汽車、機車、飛行器、船艦、重型機具(挖土機、堆高機...)、會運轉的家電(洗衣機、電風扇、吸塵器、冷氣空調)之發動機,電動機,變速箱,泵,壓縮機…等。
     
  7. 熱流流場及流固耦合分析: 應用範圍很廣,主要包括:引擎、渦輪機、壓縮機、幫浦、發電機、推進器、燃燒系統、冷凍空調系統、能源替代系統。探討流體速度、壓力、密度、溫度。



     




CAE的流程前處理】→【求解】→ 【後處理】

前處理】:
意思是說用CAD建模完後,要給模型定義材料,例如鐵、鋁…。然後幫模型切網格(設定),切網格的意思是說:用一個一個的小塊累可以積成一個複雜的模型,因為小東西的物理現象好觀察與理解,切的越恰當合適 之後組合起來的效果越好。然後再依照實際的情況給模型附載和邊界條件,例如牆上的掛勾,吊著的物品就是附載,掛勾跟牆壁黏起來的地方就是邊界條件。

求解】:
再丟到電腦去做數值運算。不同的軟體其數值運算的方式也會不同(寫的程式不一樣),可以挑一個可靠的運算方式來運算模型就好。

後處理】:
電腦運算完之後就需要透過後處理,就可以完成能清楚觀看的資料或圖表囉。

CAE操作步驟:

  1. 建立幾何外型 (從NX CAD畫圖或從別處導入模型)
  2. 設定材料係數 (金屬、塑膠…)
  3. 設定元素類型 (1D, 2D, 3D)
  4. 設定邊界條件 (施力、固定位移…)
  5. 求解 (數值方法)
  6. 得到圖像化資料


CAE每一個階段涉及的工作內容說明:

前處理】:建立幾何外型、設定材料係數、設定元素類型(網格)、設定邊界條件(施力、固定位移…)等
求解器】:讀取前處理器記錄之設定檔,根據輸入之條件,運用數值近似法來求解答案。
後處理】:接收求解後產生之大量數據,將所有數字答案加以規則化、視覺化、圖形化、製作動畫,以便於使
                      用者判讀分析所得的答案。



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