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2023年7月4日 星期二

有限元素法入門簡介(03) 模擬的流程


3.分析模擬的程序


分析模擬也有一定的程序。不論是靠人工設定或是自動設定,都是依照這個程序來進行處理。接下來就來說明這個一般分析模擬的順序。(如圖3)




圖3 分析模擬的流程


3-1 必須明確定義要分析模擬的目標


在分析模擬一開始,必須要知道的是需要模擬的元件之形狀資料。最近往往會利用3D CAD軟體來建立模擬用的模型。能夠使用3D CAD建立的設計模型無縫接軌進行分析模擬,正是3D設計的最大魅力。當然,也不是沒有3D CAD軟體與其建立出來的模型就不能進行模擬。只要有2D的圖面等形狀資料,還是可以進行分析模擬的。


這個步驟最重要的地方就在於除了要掌握被分析元件的形狀以外,也要充分觀察被分析元件所放置的環境


所謂的環境是「元件要設置的環境溫度大約多少?」、「是否有用螺絲固定?」、「還是使用接著劑來固定?」、「會承受多大的荷重?」、「是貼在平面上嗎?」、「會受到類似衝擊一樣的荷重嗎?」、「只會受到普通大小的荷重嗎?」...等等。這些東西如果沒有弄清楚,在建立分析模擬用的模型時就只能靠假設與想像了,這樣一定會影響到模擬結果的精度。


總之要把打算分析模擬的元件與其周圍相關的環境觀察清楚,確實地想像這些環境會怎麼影響分析模擬是非常重要之事。然後就是找出需要的材料參數。當然根據使用的材料不同,這些材料參數一定也都不同。


3-2 置換成有限元素法的模型(替力學現象建立模型)


這個部分可以算是分析模擬流程中最困難之處,也可以說軟體自動化設定最困難的部分,因此對於有限元素法是否充分理解,在這個部分就會分出很大的差別。具體的流程如下所述。


首先正如有限元素法這名稱所顯示的一樣,必須使用某些規則來細分被分析模擬的元件或領域。這個細分的作業(建立網格),也有關於細分網格大小、歪斜程度的訣竅。在我剛開始從事分析模擬這工作時,細分網格完全是靠人工作業的。最近都是使用3D CAD的模型為基礎來進行自動切割網格。這一方面也是毫無保留地完全發揮了3D CAD的長處。


再來就是要指定分析模擬的元件是受到怎樣的力?又是怎樣設置固定的?等等條件(譯註:即所謂的「邊界條件」)。雖然又是重複強調了,但還是得說在這個部分中的設定判斷或強烈影響到分析模擬結果的正確與否。可以說是非常重要的階段。在這個階段中,也必須指定需要輸出怎樣的分析模擬結果資料。好比說:變形量、應力大小、變形率等等資料。根據分析模擬的種類的不同,也可能可以指定輸出溫度(熱流模擬)與頻率(模態模擬)等結果。


3-3 分析模擬之實行


到了這個階段,需要用來模擬的輸入資料應該都已經準備好了。只要根據分析模擬的種類再去設定這些輸入資料即可。


接下來就是正式開始模擬了。所以這個階段就只是單純等候模擬結束而已...。(譯註:根據模擬的種類、使用電腦的能力,這個階段需要「跑」的時間從數分鐘到數日都有可能。)


3-4 模擬結果之評價


這階段顧名思義,就是要評價模擬得出來的結果。這裡當然也需要材料力學的知識。說得更明白一點,沒有材料力學的素養就有很高的可能性將分析模擬的結果解釋錯誤。


另外結果之中也會出現有限元素法特有的「偏差」。所以模擬的結果是正確展現出實際物理世界應有的現象?還是有限元素法的誤差?就須要有正確的判斷。如果沒有理解有限元素的基本原理,就無法看出模擬結果中隱含的有限元素法偏差。也是如此,理解有限元素法的運算邏輯在分析模擬中是非常非常重要的。


3-5 將評價結果反映到設計上


就是將分析模擬出來的結果反映到設計之中。


好比說:


「將重量減少更多之後,還能保證具有同樣的強度嗎?」


「如果維持同樣的重量,是否能保證獲得更高的強度?」


只要假定分析模擬的結果是正確的話,就可以不需要另外做實驗而將設計確定下來。


在分析模擬之中,是能檢討出為了減輕重量開孔、而分析出開孔的大小位置對於元件強度的影響。當然也能檢討出為了提升強度而設立補強肋、進而分析出補強肋的位置如何改變了元件的強度。將這些分析模擬的結果回饋到設計之中,就能讓元件的設計變得更靈活而有效率。


以上就是大致的分析模擬作業之流程。


這一系列的文章,就是希望一面說明分析模擬的流程、一面明白有限元素法的原理,並且盡量解說出模擬的訣竅與關鍵之處。


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