在開始使用ＣＡＥ前必須確實學好的有限元素法（９）
嘗試僅使用免費軟體來進行結構分析模擬（下）
終於到了要將之前建立的模型丟給LISA來分析的時候了。請體驗一下「ＣＡＥ與材料力學合在一起」的感動。
前一篇解說了包含免費３Ｄ ＣＡＤ、免費有限元素網格切割軟體、免費模擬求解器在內的初步使用方法。不知道各位讀者有沒有親自下去跑看看？其實直到不久前，我自己都還有「免費的東西反而危險」的感覺。畢竟以前常有被廣告中的Ａｐｐ故意安裝進去、或是安裝了會竊取電腦中資料的軟體的事情發生。不過，到了現在，「免費」也已經成為一種商業模式了。雖說我想這裏面一定也還有些惡質的東西，但這次我自己先當實驗品下去實際使用過，可以說至少在這系列文章中介紹過的軟體是沒有問題的。也是這樣，請各位讀者務必自己下去動手，操作看看這些分析模擬軟體。
接下來就要開始本篇的內容了。
１．結構模擬分析是「三位一體」，只要三個都完備了應力就會發生。
在前一篇中筆者已建立了Ｌ型支架的３Ｄ模型、接著對其切割網格、並且試著將這個切割後的模型讀入了模擬求解程式LISA之中。總之先將這個有限元素模型拿去模擬看看。先不管跑出來的數字到底怎樣，而是藉著「貫通」整個步驟，來理解分析模擬的全部流程。
其中就算各位讀者設定得不理想，也可以下載我設定好的檔案來對照，因此請安心模擬下去。
在實際使用LISA來設定分析模擬的條件前，還是必須先理解分析模擬的條件。
這裡的條件就是所謂的「邊界條件」。而邊界條件則是由「負載條件（Loading）」與「拘束條件（Constraint）」這兩個條件所構成的。
實際的元件並不會飄浮在空中，一定是和其他的元件相連接、或是被固定在甚麼地方上。這個相連接或被固定，就是用拘束條件來表現。如果沒有拘束條件的話，元件一受力就會在受力方向上飛出去了。
此外，元件也一定會受到甚麼力的作用。只要存在於地球上，就會受到質量被重力吸引的力量。而元件受到的外力，就以負載條件來表現。
換句話說，結構分析模擬都必須聚集了成為模擬對象的構造物（元件或組合件）、拘束與負載這三者才能成立。有了拘束與負載，構造物上就會產生應力。所以物件、拘束與負載真可以說是「三位一體」。
圖１ 結構分析模擬是「結構」、「拘束」、「負載」的三位一體
接下來就來考慮一下Ｌ型支架的邊界條件吧。
這個支架是底部焊接固定的，支架的上緣就像是要把Ｌ型拉開一樣承受到負載。中間雖然有開孔，但這個部分沒有被拘束住、也沒有承受負載。
圖２ 可想見之負載條件與拘束條件
順帶一提，前一篇提到的免費３Ｄ ＣＡＤ軟體AlibreDesign，安裝之後的三十天就會遇到使用期限到期的訊息。如果接下來只是想畫一些簡單形狀的東西，那麼依照下圖的方法就可以繼續使用功能減少的免費試用版。
圖３ 獲得AlibreDesign的免費使用權限的方法
再來則是趕快打開LISA，將前一篇分割好網格的模型讀進LISA中。
剛好這兩個月LISA也升級到了7.2.1版了。順便說一下，升級就像是軟體的呼吸一樣。說誇張一點，有升級更新正是這個程式還活著的象徵。由於轉換單位或是計算截面慣性矩的原因，我經常使用這些免費軟體，其實免費軟體可是有非常多的種類啊。建議大家選擇升級更新比較頻繁的程式。當然也請記得隨時更新升級LISA啊。
接下來請操作畫面調整的相關指令，讓模型整體能完整顯現出來。
圖４ LISA的各種顯示操作指令
LISA當然可以移動或旋轉視角、也可以將模型從喜歡的位置拉大到自己歡的大小。在設定負載條件與拘束條件時，常常必須將模型轉到不同角度的視角、或是調整成不一樣的大小，所以請練習這些指令讓視角能隨心所欲變化。
圖５ LISA的視角調整與點選方法
２．請記住所謂的「拘束」就是把節點的變形量設為０
明白分析模擬需要有甚麼條件後，接下來就要說明如何設定拘束條件。接下來請將模型視角調整成正側面、並且將要設定拘束條件的底部平台部分放大來看。
圖６ 為了設定拘束條件而將底座部分放大
來，接下來終於要設定拘束條件了。首先選擇要設定拘束條件的節點。如果真的一個一個去選擇底面的節點，那就太辛苦了；因此這裡使用的是「區域內選擇」的指令。在模型以正側視圖的狀態下，用滑鼠點選拖拉對角形成一個矩形，矩形內的節點都會被自動框選起來。有被選擇到的節點，會以藍色顯示。
圖７ 選擇要設定拘束條件的底座節點
再來點選設定拘束條件的指令，就會出現輸入拘束條件的對話視窗。不過，這裡的操作就稍稍有點繁瑣了。
圖８ 使用拘束條件指令來開始設定拘束條件
首先在對話視窗中會看到被選中的節點清單會自動列在「Node」欄之中。正是這些節點要被設定拘束條件。因此請按下「Add（加入）」按鍵。如此又會出現一個子對話視窗（如下圖）。這個子視窗大致就是從左開始「哪個節點要在哪個方向上設定多大變形量」的設定形式。這次的拘束條件是要把支架的底部完全限制住，換句話說就是不能移動，所以就設定成「選中的節點的所有方向之變形量都設定為０」。方向一次只能設定一個方向。因為要設定六個自由度全部都被拘束住，所以必須將displx、disply、displz、rotx、roty、rotz等六個節點變形量都設定為０。每設定好一個，對話視窗中就會逐一顯示出來。
順便說一下disp開頭的變數，是平移方向的位移量，而rot開頭的變數，則是表示旋轉方向的移動量。
圖９ 節點的每個方向的變形量都要設為０（得反覆設定六次）
當所有的拘束條件都設定完畢，關掉子視窗與上層視窗，就會看到拘束條件會以符號的形式顯像在模型表面（如下圖）。
圖１０ 拘束條件是以符號的方式表示
３．請記住所謂的「負載」，就是給予節點的向量
接下來就要設定負載條件了。負載條件的設定方法幾乎完全相同，甚至可以說會比設定拘束條件簡單一些。
請將Ｌ型支架的上部放大顯示，然後再選擇節點。這裡應該會選到１６個節點。每個節點都要設定Ｘ的負方向受到大小為１０的負載。受到負載的方向只有一個方向，所以這次不需要反覆設定多個方向。順便說一下，force開頭的變數是指平移方向的受力，而mom開頭的變數則是旋轉方向受到的力矩。這次只選擇forcex，在「Value（數值）」欄位輸入「-10」。
圖１１ 在每個節點上設定負載條件
而負載條件也會以符號的方式表現在模型上。
當拘束條件與負載條都設定完後，看起來就會像下圖這個樣子。
圖１２ 以符號表示拘束條件與負載條件的有限元素模型
到這裡就把拘束條件和負載條件設定玩了。看文章好像寫了很長，但實際下去操作，會發現這不過是一下子就能完成的事情。就算慎重操作，大概也只要十分鐘，因此請大家務必親自操作過一遍。
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