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2023年7月27日 星期四

有限元素法入門簡介( 16) 使用免費軟體進行模擬的可能性


在開始使用CAE前必須確實學好的有限元素法(8)


嘗試僅使用免費軟體來進行結構分析模擬(上)


介紹筆者徹底驗證免費分析模擬工具軟體之過程!如果是簡單形狀的元件,這些免費軟體可以充分做到實務水準的分析模擬。


前一篇已經提出手算懸臂樑的變形量問題,不知道大家是否能夠順利算出來?是否能夠包含單位轉換在內都正確無誤得到解答?


請大家千萬不要放棄手算這個問題。雖然稍微有點麻煩,但請想成不會手動計算的人也沒資格去跑分析模擬軟體。雖然覺得「就是不想用手算,才會有分析模擬軟體的出現」的想法也是理所當然,但換個例子來看,不認識Do Re Mi的人,也無法演好鋼琴。硬是要彈還是會有聲音沒錯,但那就不算是演奏了。


最近製作給設計者使用的CAE軟體其實都做得不錯,簡簡單單就能跑出答案;但是僅靠學好操作方法就能跑出可以使用的模擬結果的人,都可以算是工程上直覺很好的人。而這樣的人,對於懸臂樑公式一定就像是吃早餐一樣可以清楚理解。


本文寫到這裡,也該使用實際的分析模擬軟體來跑一下模擬了。接下來就打算說明有限元素法的核心部分,而透過實際使用模擬軟體來說明,一定會更加加深對於有限元素法的理解。


不過,如果是公司本身就有可以自由使用的分析模擬軟體的話那還好,但恐怕不是每個人都能有這麼良好的環境。如果想要自己購買的話,這些分析模擬軟體又非常昂貴。


因此,這次就要來介紹可以免費使用而且堪用的分析模擬軟體。這些軟體都有好些使用限制,但基本上都是免費的。根據筆者使用的感想,對於簡單形狀的元件來說,這些軟體都算是十分實用的水準。


前言好像寫得太長了,接下來就馬上開始介紹吧。


筆者的請求與注意事項


這裡所介紹的免費軟體,未必不含後門程式或廣告軟體,因此安裝上請自負責任。在筆者調查的範圍內,這些軟體看起來都不是惡質軟體,但還是先約法三章。


此外,下載這些程式的過程中,會有需要輸入個人電子郵件等等個人資料,這可能會被這些軟體的開發公司拿來作為行銷或廣告之用,因此在輸入個人資料時,請務必準備好安全對策。


另外軟體的安裝細節這裡就省略了。雖說如此,安裝過程也和其他的軟體安裝沒有甚麼不同,請大家加油囉。這裡好像講得有點從上對下式地命令口氣,但「甚麼都不做,就會甚麼都學不到」。


然後這次使用的OS平台是Windows XP 32bit版、SP3。這次介紹的免費軟體中,也是有可以安裝在Linux的版本,請小心注意不要下載錯誤的版本。


首先做出實體形狀。那麼有免費的3D CAD嗎?


最近開發出來給設計者使用的CAE軟體,使用上都非常簡單。但模擬的順序與內容卻幾乎都像黑箱狀態一樣。而免費軟體,當然不可能像市售的CAE軟體那樣具有漂亮整潔的環境。這裡所謂的「漂亮整潔的環境」,就是在3D CAD中做好實體外型,設定分析模擬條件,進而進行模擬。整個環境流程就像是黑箱一樣。


這次我們則是要拆開分析模擬的流程,並介紹每個階段需要用到的免費軟體。為了要將每個模擬程序更加明確化,就要將模擬的走向清楚地分解出來。


另外,雖然可以拿之前的懸臂樑來當作分析模擬模型,但就這樣只有一根棒子的形狀,實在有欠趣味性,而且大家設計出來的東西往往會比這複雜很多,更何況有限元素法的價值就在形狀之上。


但說到「要做出外型形狀」的話,就得使用3D CAD軟體。於是筆者就試著找看看有沒有還算馬馬虎虎可用的免費3D CAD軟體。在免費的3D CAD軟體上,Google公司的SketchUp算是非常有名,但它無法輸出泛用的檔案格式(付費版的SketchUp Pro才能輸出)。


結果筆者找到的是AlibreDesign這套軟體。其官網網址如下:


https://www.alibre.com/


雖然下載前得要填寫不少個資,但倒是一下就下載成功了。


此外,到正式下載前,應該會看到類似底下這樣的網頁。



圖1 AlibreDesign的下載網頁


這個軟體的使用手冊,竟然是超過500頁的超級大作!!!只不過全部都是英文。


在官網上也可以找到安裝手冊,這裡就不另外介紹。


AlibreDesign雖說是免費軟體,但從安裝日開始計算,可以試用專業版(付費版)30天的功能,超過30天後就會變回免費版,其功能會大大限制到令人驚訝的程度,真的只剩下最基本的功能了。雖說,它是免費的,這本來就無可厚非...(令人驚訝的功能限制,後續再介紹)。


參照上述的使用手冊,很快看過基本的3D外型部分,用來畫出稍微複雜的外型應該就很足夠了。至於這個軟體的使用方法,就請大家各自去摸索學習。對於以前就使用過其它CAD軟體的人來說,應該對比一下指令的名稱就能很快上手才對。對於沒使用過CAD軟體的人來說,也請務必透過這個機會來體驗一下進入3D世界的感覺。其實3D CAD軟體的操作方法,不管是哪一家公司的產品都是大同小異。所以如果學會AlibreDesign的使用方法,一定也能應用到其他CAD軟體上。


正是因為AlibreDesign具有很詳細的教學操作手冊,所以請沒用過CAD軟體的人務必挑戰看看。如圖2這樣的造型,筆者大約十分鐘就能畫出來。既然超過五十歲、眼力不太好的老頭都能畫的出來,想必各位讀者一定也都沒有問題吧!



圖2 筆者使用AlibreDesign所畫出的L型支架模型


這裡我們選擇的檔案格式是STL。所謂的STL就是「Standard Triangulated Language」,是美國3D System公司開發出來的一種格式。主要使用在3D印表機上。它是三角面集合體來表現物體的形狀,而且完全不會輸出實體外型的繪圖歷程,算是一種「只輸出形狀」的檔案格式。


這次筆者畫出來的L型腳架,在給予「L-shape bracket」的檔名後,以STL的格式儲存(輸出)起來。為了後續使用不容易出問題,建議檔名使用英文會比較好。檔案名稱可以另外訂定,但格式請一定要設定為STL。


至於L型支架的尺寸,可以下載我畫的模型來確認是否正確。


檔案名稱:

L-Shape Bracket.AD_PRT

L-Shape_Bracket.stl


對學習3D CAD軟體而言最重要的是總之先動手操作看看。因此請務必照著教學手冊學習3D CAD的思考方式。


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