第 1 部分 什麼是 CAE？

內容

1. CAEとは

2. 充分發揮 CAE 的先決條件

3. 有限要素法とは

4.總結

CAEとは

近年來，CAE分析已成為機械設計不可或缺的工具。簡而言之，CAE（代表計算機輔助工程）是一種在產品開發過程中使用計算機做出更好設計決策的技術。它通過幫助評估設計候選者的適用性並提供有關如何改進它們的提示來實現這一點。

在製造中使用計算機之前，只能通過構建實際原型來研究有關產品形狀和結構的精細細節。在開始大規模生產之前，必須構建並測試一輪又一輪的原型並測試其耐用性和其他特性——這一過程既昂貴又耗時。

正是在這種背景下，CAE 最初是在美國開發的，第一個商業軟件包出現在 1970 年代，並且隨著計算機功能在整個 1980 年代及以後的增長，該領域迅速發展。今天，CAE 技術從設計和開發過程的最初階段就開始使用——構建數學和物理模型，通過軟件工具預測產品規格、性能和質量，以及優化產品設計。

儘管 CAE 技術最初用於設計火箭和飛機等金屬產品，但如今這些方法也已成為開發塑料產品的重要工具。本系列從 CAE 的一般介紹開始，然後涵蓋更專業的主題：各種塑料的特性差異、製造過程模擬和塑料產品的結構分析模擬。

■ 如何使用CAE 工具？

如今，整個產品設計和開發過程都已數字化，用術語CAD 和 CAM來描述。這允許 CAE 的無縫集成。

​​CAD（計算機輔助設計）系統有助於管理產品設計過程。現在主要使用的 3D CAD 工具允許設計自由曲面，這是對上一代 2D CAD 工具的重大改進，後者缺乏足夠的自由度來處理這種複雜性。通過在工廠生產線上使用 3D CAD 數據，甚至可以通過 CAD 技術自行設計產品模具。

​​CAM（計算機輔助製造）系統準備製造產品所需的信息，例如 NC 機床的控制數據。數控 (NC) 機床是用於產品自動化加工的計算機驅動儀器。傳統的加工需要人類機械師手動轉動刻度盤和拉桿來進行切割和鑽孔，而 NC 工具可以使用數控數據進行編程，以自動化切割的位置和尺寸，以及製造過程的每個其他方面。

簡而言之，可以將使用 CAD 技術準備的設計數據轉換為 CAM 系統的數控數據，以實現機床的自動化操作。 CAD 和 CAM 工具通常打包在稱為 CAD/CAM 系統的軟件產品中。傳統模擬處理步驟的大幅減少使更高精度的工程和更高效的操作流程成為可能。

典型的設計/開發流程可能包括使用 CAD 工具設計產品和模具，應用 CAE 分析修改設計數據並消除產品製造問題，然後將數據發送到基於 CAM 的 NC 機床以製造產品。

CAE 的使用允許在製造任何東西之前使用 CAD 生成的設計數據評估產品設計候選人。產品設計曾經需要一個繁瑣的試錯週期——涉及對製造的原型進行手動調整，並依賴於專業工匠的經驗和直覺——如今，整個過程可以通過計算機模擬進行分析。試錯週期不僅加快了，而且 CAE 分析還允許對結果的更詳細的理解，而不是通常的純測試。

 

■ CAE 有什麼可能？

但是使用 CAE 可以進行哪些類型的分析呢？今天的 CAE 工具跨越了廣泛的應用領域，每個領域都由大量定制的軟件包來解決。更具體地說，CAE 應用於現代技術的各個領域——從機械產品到電氣和電子系統、建築設計、化學過程、醫療程序等等——以及自然現象的研究，豐富了我們日常生活的許多方面生活。

例如，在機械設計及相關領域，基於CAE的結構分析用於確保產品的運動部件不會幹擾其他部件，而無需製造原型。​

資料來源：“接觸分析”、“中斷和損害分析”視頻中的模型（2021 年 2 月 26 日查看）。https://www.mscsoftware.com/product/marc

*“接觸分析”、“中斷和損壞分析”視頻中的模型（2021 年 2 月 26 日觀看）。
https://www.mscsoftware.com/product/marc

 

即使在基於模具製造的特定子領域內，也存在用於塑料注射成型、金屬鑄造、壓鑄、沖壓模具和其他特定領域的專門商業軟件包。塑料注射成型最常使用的 CAE 技術是流體分析，它允許設計人員模擬塑料材料是否可以正確注射到模具中。​

■ 現代製造的必備工具

使用 CAE 工具評估 CAD 生成的設計數據可減少原型設計迭代，從而顯著縮短開發週期並降低成本。隨著軟件的進步和計算機功能的增強和成本的降低，配備 CAD 的設計人員可以使用 CAE 工具自行設計和分析產品，而無需依賴專家工程師來執行專業分析。 3D CAD/CAM 和 CAE 系統的出現對製造業的結構產生了變革性的影響。

在當今世界，在不斷縮短的開發時間和日益增長的降低成本的需求中，可以肯定地說，CAE 分析已成為現代製造不可或缺的工具。​

充分利用 CAE 的先決條件

與 CAE 技術一樣強大和方便，掌握現代 CAE 的藝術需要的不僅僅是學習一些軟件工具。人們可能希望 CAE 分析的結果能夠簡單到任何人都能立即理解，無論他們的背景或專業知識如何——但事實遠非如此。相反，準確解釋 CAE 結果並將其納入設計的能力不僅需要了解如何使用軟件，還需要具備材料力學基礎工程學科的基礎以及對基本 CAE 技術的透徹理解。​

 

■ 材料力學基礎

材料力學是一門研究結構部件在各種類型的作用力下如何變形和破裂的學科。在材料力學中，力由矢量表示。雖然力（如重力）將始終作用在物體上，但對於靜止的結構體而言，它們是平衡的。

作用在結構構件上的力既包括外力（或荷載），也包括構件內部為抵抗外力而產生的內力。外力的類型包括拉伸載荷、壓縮載荷、剪切載荷、彎曲載荷和扭轉載荷。內力使用應力和應變的概念來表徵。應力定義為每單位表面積的內力。由於作用在物體上的內力是不可見的，因此通過從概念上考慮穿過物體的橫截面切片並使用虛擬橫截面和橫截面係數的概念來進行計算。考慮每單位表面積的力允許將材料特性的影響與幾何形狀的影響分開。因此，如果材料屬性已知，設計人員在開發零件時可以只關注零件的幾何形狀。

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例如，考慮一根具有圓形橫截面的桿，從左右兩側拉動以產生100 N 的拉伸載荷 P。假設一個截面積為 20 mm ²​的虛擬截面，應力 σ 由下式給出

　　　　　　σ=100/20 N/mm2=5 N／mm ² =5MPa

σ=100/20 N/mm²=5  N/mm²=5MPa

​即，桿內產生的應力為σ=5N/mm ​²​。由於事實證明它與壓力具有相同的單位，因此應變通常也以 MPa 表示。

應變測量材料變形的程度。由於可以使用應變儀以數字方式測量應變（現在也通過測量視頻中樣本的變形 (DIC)），因此應變通常用於實際物體的實驗室表徵，而應力通常用於設計過程。。

儘管可以對簡單物體手動執行材料力學計算，但大多數現實世界的物體都具有復雜的結構，很難通過手動計算進行分析。例如，下圖中左側所示的身體所受的壓力，用手判斷並不困難。然而，即使只在主體上添加一個孔，如右圖所示，由於孔附近的應力集中，材料力學計算也會變得極其複雜。

對於這種情況，我們使用 CAE 工具。CAE 技術甚至可以輕鬆分析形狀複雜的物體。

 

■ CAE 的三種主要方法

CAE 分析通過使用各種技術將物體和結構細分為易於分析的小單元，從而產生可以數值求解的耦合方程組。目前常用三種主要的 CAE 技術來模擬粘性流體和固體物質：有限差分法、邊界元法和有限元法。​​​​​​

(1)有限差分法 (FDM)是當今仍在使用的最古老的分析方法。這種廣泛用於流體分析的技術通過在稱為有限差分網格的正交格子上離散化感興趣的對象來進行。 FDM 技術的一個缺點是它們不太適合分析具有彎曲邊界或其他復雜邊界條件的物體。

(2)邊界元法 (BEM)是一種僅將材料區域的邊界離散化以進行計算分析的技術。這種方法通常用於研究電磁場的配置。​​

(3)有限元法（FEM）是當今最常用的分析方法。在這種方法中，感興趣的物體被細分為簡單形狀的集合，例如三角形或矩形。由於這種方法不僅可以對 2D 系統建模，還可以對 3D 系統建模，因此廣泛用於結構分析、熱分析、應力分析和振動分析等目的。​

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有限要素法とは

■ FEM 技術首先用於飛機的結構設計

有限元法最初是在 1950 年代開發的，用於分析飛機設計中機翼結構的強度。隨著噴氣發動機的出現，飛機結構變得極其複雜，因此需要足夠精確的結構強度計算。

這也是通用數字計算機廣泛使用的時間，使數值計算能夠快速進行。

 

■ 有限元法的基本原理

有限元方法通過將物體和材料區域細分為三角形和矩形等簡單形狀的集合來進行；這種細分稱為網格離散化。網格中的每個單獨組件稱為元素，組成元素的每個頂點稱為節點​.

在三維分析中，物體被細分為三維（實體）元素。

考慮作用在每個元素上的外力（例如重力或壓力）會產生該元素的方程式；因為每個元素都連接到多個節點，所以作用在每個單獨元素上的外力通過節點傳遞到它的鄰居，然後從那里傳遞到整個結構。將所有元素的方程組合起來會產生一個聯立的線性方程組，可以對其求解以獲得每個元素的位移或應力。簡而言之，有限元法通過將難題分解為一組簡單的方程式並求解它們來解決難題。當然，當用該方法分析複雜問題時，耦合方程的數量可能會非常多——幾千甚至幾百萬——需要基於計算機的矩陣計算來求解。​

 

■ 有限元法的主要特點

分配給每個元素的頂點的節點稱為一階元素。在某些情況下，節點也被分配給形狀內的中間點，產生二階元素。可以通過增加節點的數量來提高計算的準確性。

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或者，也可以通過細化網格離散化以增加模型中的元素數量來提高精度。這些改進中的任何一個都會導致近似有限元解接近問題的精確理論解——以需要更多計算時間為代價。另一方面，無論我們如何精細地改進我們的模型，一般來說，它都不可能再現複雜物體的實際形狀。歸根結底，CAE 分析只不過是一種將復雜問題轉化為計算上易於處理的模型以產生近似解的技術。

不用說，現實世界的設計過程必須在有限的時間內完成。由於有限元分析和其他 CAE 技術用於縮短開發週期，因此必鬚根據分析的目的和執行分析的環境適當地選擇對給定分析施加的精度要求。​

 

概括

3D CAD/CAM 和 CAE 分析的引入改變了產品設計和製造的世界。今天，這些技術不僅用於飛機和汽車，而且還用於塑料製品和廣泛的其他用途；毫無疑問，它們已成為現代製造業不可或缺的工具。

同時，充分利用這些強大的工具需要的不僅僅是購買計算機和安裝軟件：充分發揮 CAE 技術的潛力需要透徹理解其基本原理、理論基礎和實際實施。

 

下一篇：“塑料CAE的要點-與金屬的區別-”。

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