（１０）題獻給新時代的設計者使用ＣＡＥ之八個重點
筆者在過去的演講或雜誌連載中，經常以「設計者使用ＣＡＥ的八個重點」為題，多次說明結構模擬分析初學者需要的注意事項；不過與設計者或ＣＡＥ相關的環境是日益發生變化，因此這次配合時代的變化，修訂成新版的八個重點。
重點１：請確實掌握材料常數
相信大家都非常能理解材料常數的重要性。材料常數可說是掌握模擬關鍵的數值群。這些數值群又分為模擬必要的輸入型常數與評價需要的輸出型常數兩大類。
在模擬之中一定會用到的材料常數當然需要調查清楚，好比說楊氏係數、蒲松比、降伏應力等等，除此以外，密度、線膨脹係數、疲勞極限也請一併調查出來，這樣就能增廣可以做的模擬領域（圖１）。
圖１ 各種材料常數的作用
只要是一般常用的材料，大致都可以透過網路收集到相關的材料資訊。好比說日本材料學會整理的網站集：
https://fatigue.jsms.jp/database/link.html
另外還有超級有名的MatWeb，許多著名的ＣＡＤ／ＣＡＥ供應商的產品中使用的材料常數，都是引用自MatWeb的資料。
此外，光是說「鋁」，就有許許多多的種類。所以最快最好的方法，就是直接詢問銷售材料的供應商，請對方提供材料的型號與相關材料參數。
當結構物被破壞時，根據統計資料來看是「其中有八成是因為應力集中部造成的疲勞現象而引起的破壞」。有受到振動影響時，一定都會直接導致疲勞問題。疲勞限度值是個很難取得的數值，所以建議是盡量多多調查比較好。
重點２：盡量乾淨俐落地建構乾淨俐落的３Ｄ模型
乾淨的３Ｄ模型，是設計者用ＣＡＥ的緊要之處。３Ｄ模型畫的太爛，甚至會連自動網格切割都做不下去。要做出乾淨的３Ｄ模型之訣竅，在前面也已經介紹過了。稍微回顧整理其技巧，可以在建立３Ｄ模型的途中，就故意先去跑跑看自動網格切割功能，一面透過自動網格切割來確認目前的３Ｄ模型的強韌性，一面繼續調整３Ｄ模型，是很有效的關鍵作法。
最近的３Ｄ ＣＡＤ可以將很多特徵整理成一個群組，然後可以寫入設定中來控制整個群組是不是要抑制（Supressed，讓特徵失效不顯現）。好比說，可以利用這樣的整理來管理同一個模型要不要有圓角。有了這樣的功能，就能在同一個模型檔案中來管理設計用的詳細版本、與模擬用的簡化版本。
近年來設計用的３Ｄ模型，都會加入ＰＤＭ中嚴格管理，但關於模擬方面的資料－－－「模擬用３Ｄ模型」、「模擬的設定」、「模擬結果」等等，卻經常沒有受到適當的管理。
今後ＡＩ（人工智能）、機械學習、設計性能的可以追溯性（Traceability）等等新趨勢，也都很可能會利用到３Ｄ模型與模擬結果。因此摸索如何建立乾淨的３Ｄ模型、設定３Ｄ模型、清楚的模擬結果管理方式，也是很重要的課題。
重點３：負載必須考慮施加面積／分佈／方向
在３Ｄ ＣＡＤ軟體中建立的模型，基本上是「設計用的模型」。如果負載需要獨立的面積（曲面），就必須為了負載另外建立模擬用的曲面。也許大家會覺得要在精心建立的漂亮產品３Ｄ模型上切出一塊模擬用的曲面而覺得很沮喪吧？不過也是因為這樣，設計用的模型版本與模擬用的模型版本必須要分別管理才對。
本來為了負載分佈而建立專用的曲面，對程式來說並不是甚麼難事。這是三十年前的ＣＡＤ／ＣＡＥ產品就有的功能了。不過，我看到最近的ＣＡＥ產品，卻幾乎都沒有內建這種切出獨立曲面的功能。
以下就特別再介紹一個如何正確設定負載的方法。這裡特別將這個方法命名為「負載體積法」。這個方法是將負載的面積與分佈做成一個物體形狀，然後將這個物體施加重力加速度當作負載進行模擬，再將其反作用力當作原本模擬元件的負載。反力也是一種力，當然也能夠當作負載。雖然感覺這是一種繞圈子的作法，但對於正確考慮負載的面積、分佈、方向來說卻很有用（圖２）。
圖２ 使用負載體積法來正確表現出負載
重點４：拘束（固定）需要將固定對象一起包含在內形成組合件模擬
除了負載以外，拘束條件也會大大影響模擬結果。以下使用筆者以前做過的模擬為例，來說明拘束條件對模擬結果的影響。
成為題材的元件，是位於相機內部的板狀彈簧。這是個很小的元件，而且還會埋入塑膠的支撐座中。模擬的重點只放在板狀彈簧目視可及的部分，而把這個彈簧的根部設為完全拘束來進行模擬。然而卻得到了一個和實際實驗完全不符的模擬結果。於是筆者重新徹底觀察實驗的狀態，這讓我對於要觀察非常小的元件有很辛苦的印象。
板狀彈簧是金屬、支撐座是塑膠，兩者剛性（材料的軟硬）相差很多。在這樣的影響下其實不能將板狀彈簧根部當作完全固定。如果將這兩者剛性差異一起考慮進去的話，就得將板狀彈簧與塑膠支撐座當作一個組合件，一起進行模擬（圖３）。這樣組合件的模擬方式，才讓模擬結果與實驗結果幾乎一致。像這樣模擬對象與固定對象分別是金屬與塑膠的剛性差異巨大的狀況，建議一定要改成組合件的形式來模擬。
圖３ 金屬板狀彈簧與塑膠支撐座的模擬
重點５：利用ＯＫ法來決定網格尺寸
自動網格分割功能中的網格尺寸，幾乎是根據元件的大小來自動決定的。但是這種網格決定方法，「完全沒有甚麼理論根據」。最近的ＣＡＥ軟體雖然不會設定出和模型大小不相稱的網格，是可以安心使用自動網格分割功能沒錯，但那「不見得是最適合的網格尺寸」。
這裡就要介紹在模擬中找出最佳網格尺寸的方法，其名稱為「ＯＫ法」，這個方法的操作步驟如下（圖４）：
１．先用軟體設定的網格尺寸進行模擬，記錄出現最大變形的位置與變形量，也要記錄節點數。
２．將網格稍微縮小（根據模擬模型來判斷，通常是２５％），再跑一次模擬。記錄和１．同一位置的變形量與節點數。
３．比較１．和２．的變形量。如果２．的結果比較大，則重新步驟２．直到最大變形點的變形量幾乎沒有差異為止。
４．以節點數為橫軸、最大變形量為縱軸來繪圖。採用圖形開始轉平的第一點，作為最佳網格尺寸。
圖４ 模擬的收斂與ＯＫ法
節點數越多，模擬結果精度越高雖然是有限元素法的基本原理，但沒有必要讓節點多到不必要的程度。
至於「圖形開始轉平」的意思，就是模擬結果已經收斂了。而「圖形轉平的第一點」時模擬開始收斂，也會讓之前提及的奇異點影響變得最小。
重點６：奇異點果然非常重要
雖然不好意思得重說一次和前一篇同樣的話題，但奇異點就是如此重要。
首先重新強調奇異點的應力，並不是真的應力，請當作單純的數字！
奇異點會在負載與拘束很接近或是尖角上出現。而且當網格尺寸變小反覆進行模擬會發現應力越來越大的位置，就是奇異點。
在重點５揭示的ＯＫ法中，是縮小網格尺寸進行反覆模擬，就能看出收斂並決定網格尺寸。同時也能藉著反覆模擬知道奇異點的位置，就這樣的意義來看，ＯＫ法可說是一石二鳥般好用。
進行多次模擬再畫出圖形的作業雖然很麻煩，但透過這樣的方式，就能找出最佳的網格尺寸。只要找出最佳網格尺寸，未來再拿這個物件或是同類型元件進行模擬時，就能直接使用這個最佳網格尺寸了。
至於模擬結果請務必忽視奇異點的應力來進行評價。想要知道奇異點附近的應力時，請使用外插法，根據奇異點附近的應力分佈來推測。
重點７：模擬結果評價的流程
模擬結果的評價流程與各流程的重點，請大家重新複習一下。
１．請先確認模擬計算過程中沒有出現錯誤訊息或警告。當出現錯誤時，幾乎都是模擬異常中止，而不會有答案出現。至於警告訊息出現時，模擬通常還是會算到完，就要特別小心。請務必理解警告訊息的意義，來確定模擬的信憑程度沒有問題。
２．接著要確認變形。並且要確認這不應該動的地方是不是就沒有動？變形的方向和負載的方向是否一致？變形的大小是否符合常識？等等項目。建議可以使用影片表示來掌握為小的動作。
３．然後才顯示馮氏應力的結果。請將奇異點以外的最大應力值和材料的降伏應力進行比較。此時請不要忘記安全係數。如果出現馮氏應力超過降伏應力的狀況，原則上就是「設計失敗」。請改用降伏應力更高的材料或是調整結構形狀。
４．將模擬結果記錄下來。當軟體進行版本更新時，結果可能會有微妙的變化。通常ＣＡＥ軟體都有輸出報告的功能，可以將模擬的設定、結果用報告的形式輸出保存。
重點８：In Process CAE的建議
建構幾何形狀，意義上就是決定了元件的重量與剛性。但不知道有多少人有意識到這件事？在進行設計當中，換句話說就是在使用ＣＡＤ當中，應該都會盡量專心在建立模型（設計圖）本身上。
一般來說，幾何形狀畫到越詳細（越後面），元件的剛性就會越差。換句話說，如果在開始製作幾何的初期階段強度上就已經無法滿足目標的話，在越後面的細部設計時，越不可能提高幾何形狀的強度。
所以如果在３Ｄ幾何模型設計完成後才開始進行結構模擬的話，如果出現設計性能不足的狀況時，要回頭變動設計的幅度就會非常大。而在決定設計性能的各個步驟關鍵中就使用模擬來決定設計參數的設計方法，就稱為「In Process CAE」（圖５）
圖５ 在各個設計關鍵進行模擬的In Process CAE方法
在建立大的特徵（挖孔或切出缺口等等）時，就應該在這個關鍵點進行模擬，來驗證結構強度的妥當性。這樣一步一步的模擬結果累積起來，最終就能設計出強度驗證很充分的３Ｄ模型。
在各個設計關鍵點進行模擬，因為必須中斷設計的思考，所以可能會讓人覺得很麻煩。不過，近來的３Ｄ ＣＡＤ軟體都有內建模擬模組，可以讓３Ｄ建模與模擬之間無縫接軌，就不至於太過麻煩。甚至還有不需做成網格的新軟體出現，可以讓使用者一面建模、一面瞬間可以看到模型上的應力狀況呢。
因此希望大家在設計的工作流程中，務必考慮將In Process CAE納入其中。
最後
太空人阿姆斯壯在登月的瞬間，說出了：「這是我個人的一小步，卻是全人類的一大步」的名言。
這一系列的結構模擬入門，對各位讀者可能只是一小步，對於您服務的公司或是自身的職涯來說，非常可能是一大步的進展。為了能繼續踏出成功的下一步，也請各位讀者務必繼續努力。（全文完）
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