第三部分：CAE軟體簡介

內容

1. 注塑模擬（流動翹曲分析）	9. 蠕變分析
2.應力分析	10.應力鬆弛分析
3.熱傳導分析	十一、影響分析
4. 熱應力分析	12. Topology优化分析
5.熱流體分析/計算流體動力學（CFD）	13.聲學分析
6.特徵值分析（自然頻率分析）	14. 多體動力學分析
7.（頻率）響應分析	15.纖維取向映射
8.循環疲勞分析

介紹

日本和海外的許多軟件公司都發布了各種用於 CAE 分析的軟件。根據軟件的不同，可以進行什麼樣的分析、專業領域、支持系統等也有所不同，因此選擇與目的和應用相匹配的合適的分析軟件很重要。

這次，我將介紹用於塑料 CAE 分析的軟件。我們還將介紹每個分析目標領域的代表性分析軟件，以及旭化成使用的軟件。

 

注塑成型模擬（流動翹曲分析）

它是一種用於檢查流動可能性、檢查最佳澆口位置、預測翹曲、成型週期預測、合模力預測以及設計冷卻效率良好的冷卻管的模擬。又稱樹脂注射成型模擬，是產品設計和模具規格設計中塑料製品分析中的一種綜合分析。

翹曲變形是嚴重的成型缺陷之一。翹曲是由型腔內不均勻的樹脂收縮引起的。換句話說，成型品的形狀和澆口位置的設計必須使模腔內的溫度和壓力均勻，模具冷卻管的佈置必須使模具內沒有溫差。

典型的軟件有Autodesk的“Moldflow”、CoreTech System的“Moldex3D”和Toray的“3D TIMON”。
旭化成使用滲透率高的“Moldflow”。

 

應力分析

它用於預測變形量、應力、應變、是否存在失效以及施加載荷時的失效載荷。在機械設計中，需要知道產品的強度，這是一個非常重要的分析。由於可以在實際製作樣品和進行強度測試之前進行模擬，因此可以縮短設計開發週期。

壓力分析在另一章中有更詳細的解釋。

典型的軟件包括 Dassault Systèmes 的“Abaqus”、Siemens Software 的“NX Nastran”、Ansys 的“ANSYS”和 Altair 的“OptiStruct”，但軟件種類繁多。
旭化成使用“Abaqus”和 Hexagon 的“Marc”。

 

熱分析

分析熱量如何在固體內部傳遞並模擬溫度分佈。分析受熱部位和與發熱部位接觸的部位的熱傳遞情況。您可以評估材料的隔熱性和保溫性。

 

熱應力分析

預測由溫度變化引起的應力。

正如Part 2 Plastics CAE的“2.塑料和金屬的溫度特性的差異”中提到的，塑料的線性膨脹係數比金屬高，更容易受到熱應力的影響。組合具有不同線性膨脹係數的材料時必須特別小心。

也可以執行耦合分析，其中溫度分佈在傳熱分析中獲得，並用作應力分析中的邊界條件。

熱傳導分析和熱應力分析可以用上面提到的大多數應力分析軟件進行計算。

 

熱流體分析/計算流體動力學 (CFD)

預測流體（例如液體和氣體）如何流入和流出物體。對於實際產生熱量的產品，熱量不僅在固體內部傳遞，還會通過載熱流體（空氣、油等）傳遞到其他部分。這種現象無法通過熱傳導分析來分析，因此使用了熱流體分析/計算流體動力學（CFD）。

此外，即使零件具有復雜的形狀，熱流體分析/計算流體動力學（CFD）也是有效的，因為導熱係數和溫度分佈會因周圍空氣的對流而發生變化。

代表性軟件包括 Altair 的“AcuSolve”、Ansys 的“ANSYS Fluent”、西門子軟件的“STAR-CCM+”和 Convergent Science 的“Converge”。
旭化成使用“AcuSolve”。

 

特徵值分析（特徵頻率分析）

計算物體的本徵頻率和本徵模態形狀。

固有頻率是物體（振動系統）自由振動時每秒振動的次數。本徵模態形狀是以本徵頻率振動時的振動形狀（變形）。

如果物體產生共振，可能會發生損壞或噪音。共振是一種現象，其中通過接收與物體的固有頻率相同的外部振動來大大放大振動。可以通過固有頻率分析找到可能發生共振的頻率，並用於設計不會引起共振的結構。

 

（頻率）響應分析

模擬物體受激時產生的位移和應力。

發生共振時，可以獲得產生的振幅和應力的大小，可以確認共振對策的效果。

特徵值分析（特徵頻率分析）和（頻率）響應分析的典型軟件有Dassault Systèmes的“Abaqus”、Siemens Software的“NX Nastran”和Ansys的“LS-DYNA”。
旭化成使用“Abaqus”和 Hexagon 的“Marc”。

 

循環疲勞分析

預測重複加載時發生故障的次數。

當負載反复施加到物體上時，即使小於其靜態強度的應力也可能導致其失效。這稱為疲勞失效，可以使用 SN 曲線進行評估。

可以在創建實際樣本和執行耐久性測試之前執行模擬，從而縮短開發時間。

 

蠕變分析

預測一定時間後的蠕變變形量。

正如第 2 塑料 CAE 要點“2. 塑料與金屬的差異 粘彈性特性<蠕變>”中所述，塑料由於其粘性特性而受到蠕變載荷的影響很大，因此採取了提前進行模擬的對策。可以做。它還用於焊點的壽命預測。

 

應力鬆弛分析

預測一定時間後的應力值。如第2塑料CAE的“2.塑料與金屬的差異-粘彈性特性<應力鬆弛>”中所述，應力鬆弛是由於塑料的粘彈性特性而發生的現象。

設計用螺釘或螺栓固定的零件，或使用故意變形產生的反作用力的產品（例如彈簧）時必須小心。與蠕變不同，從外部看不到變化，因此預先分析可以防止質量問題。

 

循環疲勞分析、蠕變分析和應力鬆弛分析的典型軟件有 Dassault Systèmes 的“Abaqus”、Siemens Software 的“NX Nastran”和 Ansys 的“LS-DYNA”。
旭化成使用“Abaqus”和 Hexagon 的“Marc”。

 

影響分析

它模擬物體碰撞或墜落時的時程應力、應變、位移、加速度等。當物體受到衝擊時，會產生比靜態應力值大很多倍的應力，從而導致損壞等問題。

此外，還可以進行考慮材料特有的動態特性（應變率依賴性、粘彈性效應）的評估。應變率依賴性是樹脂的一種特性，材料特性會根據變形率發生很大變化。

用於假定汽車等的碰撞速度的試驗。

 

典型的軟件有Ansys的“LS-DYNA”、ESI的“PAM-CRASH”、Altair的“Radioss”。
旭化成使用“LS-DYNA”。

 

拓撲優化

Topology优化分析是通過給出產品使用場景中假定的結構約束、載荷和約束條件來計算最佳形狀的系統。

生成人類無法想像的高度新穎的形狀，導致產品設計不受現有形狀的限制。

可以說，隨著3D打印機等生產加工技術的進步，它是未來會越來越受到關注的一項技術。

代表軟件有Altair的“OptiStruct”和Dassault Systèmes的“TOSCA”。
旭化成使用“OptiStruct”。

聲學分析

我們分析和可視化與聲音產生和傳播相關的各種聲學現象。

除了提高揚聲器等音頻設備的音質外，還可以在設計中反映出針對發動機和風扇等工業產品發出的噪音等令人不快的聲音的措施。這種分析對於開發具有出色聲學特性的產品和要求安靜的產品是必不可少的。

代表軟件有Hexagon的“Actran”和Dassault Systèmes的“Abaqus”。
旭化成使用“Actran”。

 

機理分析

在使用有限元法的常規分析中，對單個零件進行評估。但是，對於由多個部件組合而成的產品，需要將部件作為一個集合進行分析。

在多體動力學分析中，可以預測與其他部分的關節力和作用力的影響，並模擬進一步運動所作用的力。

它用於評估多個部件錯綜複雜地連接在一起的機械系統，例如汽車和工業設備。

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

 

典型的軟件是Dassault Systèmes的“Simpack”和Hexagon的“Adams”。
旭化成使用“亞當斯”。

 

纖維取向映射

在設計玻璃纖維與樹脂混合的增強等級時，必須考慮纖維取向。這是因為纖維的取向是沿著樹脂的流動方向決定的，導致收縮不均勻和翹曲，以及強度和方向較弱的區域。通過映射注塑成型模擬結果中的纖維方向和取向信息並將其傳輸到另一個分析軟件，可以提高應力分析的準確性。

資料來源：Hexagon 網站上的纖維取向映射模型（2023 年 1 月 16 日）

 

具有代表性的軟件是Hexagon 的“Digimat”。
旭化成使用“Digimat”。

 

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