（４）沒有幾何模型就無法進行模擬分析
設計者要實施ＣＡＥ的話，「３Ｄ幾何模型」絕對是不可或缺的。因為能夠做出３Ｄ幾何模型，才能從中生出有限元素法資料，成為踏出「結構模擬」的第一步。因此這一篇要從準備出幾何形狀的建立３Ｄ ＣＡＤ實體模型談起。
設計者用ＣＡＥ的前提是３Ｄ實體模型
如同第一篇的說明，本連載是把重心放在設計之上，所以就從設計開始談起。
幾乎所有的設計都是從「圖」開始的。將設計靈感的草圖繪製成實際的工程圖，然後再於圖面上記上具體的尺寸，才能將設計具體實現。工程圖面就以「設計製造資訊的共通基礎」而在現場中活躍著。
因為３Ｄ ＣＡＤ軟體的出現，就讓平面二次元的「圖」漸漸變成現在的三次元「幾何模型」了。
要製作３Ｄ幾何模型是很費工夫的（譯註：其實還好，由此可見３Ｄ ＣＡＤ在日本的普及程度．．．）。根據筆者的調查，製作３Ｄ幾何模型要比平面的工程圖要花費３～３．５倍的時間。即便如此，在設計中使用３Ｄ ＣＡＤ，還是有實現先期開發的目的存在。
既然是如此花時間和工夫所製作出來的３Ｄ幾何模型，卻能獲得很多工程力學上的重要資訊。比如說：重量、重心位置、旋轉重心點的慣性矩、表面積．．．等等。而幾何模型「光是存在」就能獲得這些重要資訊。而且，結構模擬分析也可以利用３Ｄ幾何模型來執行。這才是製作３Ｄ幾何模型的最大利益。
其實，就算沒有３Ｄ幾何模型也能執行結構模擬分析。只要靠手工比算一點點地將節點或元素的資料建立組合起來，還是能夠表現出有限元素模型。但是這樣的作業，簡直就像是「Minecraft」或是「樂高」一樣靠堆積木建構出幾何形狀。這當然更花費時間與工夫。
相對地，只要能做出３Ｄ幾何模型，就能「自動產生有限元素相關資料」了。
要做出有限元素資料，其實很花工夫與時間。模擬分析作業時間的９０％以上通常都是花費在建立有限元素資料（模型）上。也是這樣，「如果能先建立出３Ｄ幾何模型，能否自動產生出有限元素資料（節點與元素）嗎？」的話題就被提出來討論了。就筆者所知，最先實現這個期望的是「SDRC（Structural Dynamics Research Corporation）」這家公司。這家公司的第一任執行長（ＣＥＯ）雷蒙博士（Dr．Jason R．Lemon），也是創造ＣＡＥ這個概念與名詞的人。
現在成為設計主力工具的３Ｄ ＣＡＤ，本來就是為了模擬分析作業的合理化而開發出來的。現在大家對於３Ｄ ＣＡＤ和ＣＡＥ的配合性良好應該也很能認同吧。為了達成設計者也能執行ＣＡＥ的目標，請大家理解３Ｄ幾何模型絕對是不可或缺的存在。
建構３Ｄ幾何模型的種種要點
從３Ｄ幾何模型自動生成有限元素法資料的節點或元素的程序，就稱為「自動網格分割」。只要自動網格分割不成功，就不會產生節點與元素，因此自動網格分割功能在ＣＡＥ中是非常重要的角色。
最近主流的３Ｄ ＣＡＤ軟體大多也會內建ＣＡＥ模組。當然，這裡面也配備了自動網格分割功能。此外，也有將自動網格切割專門化的工具軟體出現。自動網格分割，對於設計者專用ＣＡＥ來說，可說是宛如生命線一樣的重要。能有越多工具可以使用自然是越好。
自動網格分割是否可以做的好，並不是只跟自動網格分割軟體的性能好壞有關，也跟３Ｄ幾何模型做得好不好有很大的關係。
其實３Ｄ幾何模型的品質，也不僅是關係到自動網格分割的成功機率，也會大大影響模型本身是否好修改的程度。
只不過，要定義出高品質３Ｄ幾何模型的建構方法，並不是那麼容易的事情。而且其判斷基準也和產業別或產品別而有天差地遠的不同。
筆者曾在前述的ＳＤＲＣ公司就業將近十年。在這之間３Ｄ幾何實體模型建構程式被開發出來，而且成為產品上市。為了快速建立有限元素資料而開發出來的這種軟體產品，成為軟體公司的主力，而打入設計領域市場。
在替這些ＣＡＤ產品做售後服務之中，筆者也跟著掌握住建立高品質３Ｄ實體模型的訣竅。以下會陸續介紹出來。只不過這些訣竅不一定可以套用到所有的建模方式，也先請諒解。
盡量用最少的操作步驟
建立實體模型的基本大致都是一樣的（如圖１）：先繪製出２Ｄ（平面）的輪廓線，然後依照以下三種方法來實體化。
圖１ 建立實體模型的基本操作
用文字來說明的話，就是：
將軌跡長出／拉伸而實體化
將軌跡旋轉成形而實體化
將數個輪廓相連而實體化
而建構出來的實體還可以使用布林運算的方法，將實體形狀以演算的方式做出新的形狀。所謂的３Ｄ ＣＡＤ軟體，就是將以上這些操作整合成一個個指令來操作。先選擇出一個面，畫出平面的形狀，然後就可以長出實體、或是挖出缺孔，讓輪廓繪製與布林運算同時進行。
這些布林運算的使用次數越少，實體幾何模型的品質就越高。
根據建模的方法或順序，就會產生設計變更的容易與否的差距。所以建立實體模型時，請務必掌握住建構操作步驟少與設計變更容易的方向來製作。
這裡只舉一個例子來介紹就好。請如圖２一樣，做出一個滑輪與附有皮帶溝槽的轉軸的實體模型。
圖２ 滑輪的建模方式，兩種方法
對於上圖這個實體模型來說，第一種建構方法是將產品的整體輪廓一次畫出來，然後繞著中心軸旋轉來構成實體。這個方法建構操作（布林運算）是零次，所以生成計算會非常穩定。相對地，要編輯修改時，一定得回到繪製輪廓的狀態。假設要將皮帶溝槽要調整的另一端去的話，就必須將輪廓大幅度地修改才行。
另外一個方法，則是分別見出軸、滑輪與切割溝槽用的「物件（刀具）」，然後利用建構操作（布林運算）組合成最終形狀。這是每一個零件對設計者來說都非常單純容易繪製的方法。使用這個方法會執行兩次建構操作（布林運算）。對這樣的次數來說，對於生成計算來說還不會出現甚麼問題，但如果再複雜一些，模型的運算就會很不穩定了。相對地，這個方法的編輯修改會非常自由。要將皮帶溝槽移到轉軸的另外一側，也只要改變一個尺寸就能達成。
不要做出微小的面與邊
如果建模過程中使用了太勉強或不自然的操作，就容易做出微小的面或邊。這可是自動網格分割的大敵。這往往是很勉強的實體運算（布林運算）或複雜的圓角做出來的。另一方面，在切網格時，會指定出決定有限元素密度的網格尺寸。大多的場合下，程式會根據幾何模型的大小自動決定出一個適當的網格尺寸。而這個網格尺寸就會受到微小面與邊的影響，而讓切割網格出現錯誤。當然，是有可以檢查實體模型進而修面微小面、與邊的工具程式，因此在切割網格前務必使用這些工具來檢查修正。
＝＝＝
沒有留言:
張貼留言