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1
電腦輔助工程分析 -ANSYS
設計流程
specification
Concept Design
Production
modification
Design Loop
Physical Prototype Testing
No
ok
Geometry Design
(CAE)ANSYS 工程設計分析
Virtual Prototyping
ParametricDesign
Optimization
Simulation
Verification
Design Analysis& Optimization
2
電腦輔助工程分析 -ANSYS
Ø經由 FEM 模擬計算 , 確認產品特性與強度 , 減少實體模型 prototype成本 .
ØVirtual prototype Physical prototype Test OK Master Production
Ø減少開發成本 .Ø降低設計錯誤 .Ø增加產品安全性 .Ø可加快研發速度 .
CAE = Computer experiment 之好處
3
電腦輔助工程分析 -ANSYS
有限元素法 ( Finite Element Method, FEM )
• 一種數值近似法 , 根據各領域之基本數學模型 , 計算模擬實際問題 .
• 由於實際問題複雜 , 無法利用理論數學分析方法求解 , 因此必須借助 FEM 處理 .
• FEM 將實際問題分成許多元素 , 計算出結果 .
4
電腦輔助工程分析 -ANSYS
ANSYS 應用實例 (3)軸承座應力分析
(from ANSYS Inc.)
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
有限元素法
3D 軸承座 複雜外形分析
應力、振動怎麼算 ????
有限元素法
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
有限元素法
FEM meshGeometric model
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
有限元素法
應力分析結果
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
ANSYS 應用實例 (1)渦輪葉片振動分析
(from ANSYS Inc.)
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
ANSYS 應用實例 (2)RICOH CD-ROM 結構振動模態分析
(from Ricoh and ANSYS Inc.)
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
ANSYS 應用實例 (3)軸承座應力分析
(from ANSYS Inc.)
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
ANSYS 應用實例 (4)汽車撞擊測試模擬
(from ANSYS Inc.)
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
ANSYS 應用實例 (5)電子產品落下試驗模擬
(from ANSYS Inc.)
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
ANSYS 應用實例 (6)流體力學分析
(from ANSYS Inc.)
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
ANSYS 應用實例 (7)IC 封裝熱傳與熱應力分析
(from Liu)
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
ANSYS 應用實例 (8)IC 封裝錫球疲勞壽命分析 Ref: R. Darveaux (Amkor)
(from ANSYS Inc.)
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
ANSYS 應用實例 (9)滾壓加工分析
(from ANSYS Inc.)
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
ANSYS 應用實例 (10)金屬衝壓成型模擬
(from Liu)
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
ANSYS 應用實例 (11)3D 空間流場分析
(from S.C. Ku)
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
ANSYS 應用實例 (12)旋轉主軸應力分析
(from ANSYS Inc.)
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
ANSYS 應用實例 (13)引擎熱應力分析
Engine Piston
Engine
(from ANSYS Inc.)
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
ANSYS 應用實例 (14)微機電系統 (MEMS) 分析
Images courtesy of Russell DeAnna,NASA.
Images courtesy of Russell DeAnna,NASA.and MEMScaP SA.
(from ANSYS Inc.)
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
ANSYS 應用實例 (15)銲接之 2 D 熱傳模擬
(from Liu)
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
ANSYS 應用實例 (16)馬達電磁場分析
(from ANSYS Inc.)
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
ANSYS 應用實例 (17)破壞力學 裂縫分析
(from Liu)
25
電腦輔助工程分析 -ANSYS
ANSYS 應用實例 (18)Wire bending
(from ANSYS Inc.)
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
ANSYS 應用實例 (19)Rubber Boot Seal
(from ANSYS Inc.)
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
ANSYS 應用實例 (20)齒輪應力分析
(from ANSYS Inc.)
28
電腦輔助工程分析 -ANSYS
應用於MEMS分析 :微電熱致動器
SEM Image courtesy of Victor Bright, U Col. Boulder.
From : http://www.ohiocae.com/MEMS_Presentations/MEMS_Presentations.htm
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
應用於MEMS分析 :扭力共振器
From : http://www.ohiocae.com/MEMS_Presentations/MEMS_Presentations.htm
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
應用於MEMS分析 :靜電式的微鏡面
From : http://www.ohiocae.com/MEMS_Presentations/MEMS_Presentations.htm
31
電腦輔助工程分析 -ANSYS
應用於MEMS分析 :梳狀致動器
From : http://www.ohiocae.com/MEMS_Presentations/MEMS_Presentations.htm
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
應用於MEMS分析 :微流道分析 -非牛頓流體
From : http://www.ohiocae.com/MEMS_Presentations/MEMS_Presentations.htm
120 120 mm
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
ANSYS 泛用型有限元素軟體簡介
• 泛用型有限元素軟體 ( General-purpose finite element software ), 利用有限元素法 ( Finite element method , FEM ) 求解 .
• 屬於 CAE ( Computer-Aided Engineering, 電腦輔助工程分析 ) 軟體 .
• 廣泛應用於學術界與工業界 , 範圍包括結構應力、振動、動態、熱傳、流體、電磁場等分析 .
• 美國 ANSYS 公司設計 , 在台灣由虎門科技公司代理 .
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
ANSYS 各種產品
ANSYS/Multiphysics
ANSYS/MechanicalANSYS/Mechanical
ANSYS/Professional
ANSYS/FlotraANSYS/Flotrann
ANSYS/EmagANSYS/Thermal
ANSYS/Structural
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
ANSYS 軟體架構
Begin Level
PREP7
Processor
POST1
Processor
Solution
Processor
POST26
Processor
/PREP7 /POST1/POST26/SOLU
FINISH FINISHFINISHFINISH
Enter ANSYS /EXIT
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
ANSYS 操作方式
• 建立一分析過程之 3 種方法 :
– 使用 GUI 介面 , 以滑鼠操作– 直接 keyin 指令和參數 – 以上 2 種混合使用
• 整個分析所用的指令 , 可寫成 log 檔 ( 文字檔 ) 儲存 , 可重複讀入 ANSYS 計算 .
• log 檔內可使用 APDL 協助分析 .
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
ANSYS 檔案及工作檔名簡介
• 工作檔名的給予方式:– 直接採用內定值 (file)– 由 Interactive進入 ANSYS時更改 Initial jobname– 於 Begin level 下達指令更改工作檔案名稱 (/FILNAM,Fname)– 利用下拉式功能表 File>Change Jobname…
• 典型的檔案名稱及格式:– Database file jobname.db Binary– Log file file.log ASCII– Results file jobname.rxx Binary
(structural) jobname.rst(Thermal) jobname.rth(Magnetic) jobname.rmg(Load step file) jobname.sn ASCII
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
ANSYS環境設定
選擇所要的分析模組
工作目錄圖形顯示裝置設定檔案名稱
執行 ANSYS 所佔用之記憶體存放資料所佔用之記憶體以不超過 Workspace 的一半為原則
RAM Virtual Memory
Workspace Database
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
ANSYS軟體介面簡介
Utility Menu
Main Menu
Graphic Windows
Output Windows
Input Windows Toolbar
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
Utility Menu
用於檔案管理相關之工作
物件選取及建立集合等功能
以文字形式將資料輸出
圖形視窗相關的設定
以圖形顯示將資料輸出
工作平面及座標系統的設定
參數化的設定
巨集指令的設定
設定功能視窗的開取與關閉
線上使用手冊
• “…”表示尚有對話框• “ + ”表示尚有選取視窗• “ > ”表示尚次功能表
41
電腦輔助工程分析 -ANSYS
Main Menu
• “…”表示尚有對話框• “ + ”表示尚有選取視窗• “ > ”表示尚次功能表
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
Input Windows
• 使用輸入視窗輸 入指令
• 使用 GUI 介面輸入
輸入指令格式及參數說明提示
GUI 指令說明提示
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
Toolbar
• 增加工作效率• 可自行添加按鈕
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
GUI 介面及常用指令簡介
• GUI 介面基本操作– Pan-Zoom-Rotation– Pick Menu
• 常用指令– File功能表– Log file– Parameters– Workplane– Components – Boolean operation– Mesh method– Mesh density– Importing 3D CAD model
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
GUI 介面基本操作(Pan-Zoom-Rotation)
預設的視角按鈕
Top
Front
Iso
Bot
Back
Obliq
Left
Right
WP
(0,1,0)
(0,0,1)
(1,1,1)
(0,-1,0)
(0,0,1)
(1,2,3)
(1,0,0)
(1,0,0)
工作平面
局部放大
Zoom 以正方形圈選,第一點為中心點,第二點決定範圍。
回到上一次所顯示之畫面。
點選兩個點定義喔個長方形來決定範圍。
點選出的長方形比例會依據圖形視窗 的長寬比例。
Back Up
Box Zoom
Win Zoom
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
GUI 介面基本操作(Pan-Zoom-Rotation)
箭頭表示模型平移 方向
大點表示放大
小點表示縮小
讓模型以 X Y Z 軸旋轉
其正反轉以右手定則決定之
旋轉角度
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
GUI 介面基本操作(Pan-Zoom-Rotation-Dynamic Mode)
恢復至預設狀態
將模型填滿整個視窗
動態模式
平移
放大、縮小
及旋轉
旋轉
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
GUI 介面基本操作(Pick Menu)
顯示目前執行之指令選取及取消選取 設定
選取方式
所選取物件 的總數
最多可選的量
最少必須選的量
使用鍵盤輸入的格式提示
視窗控制按鈕
Pick
Apply
Toggle
Pick / Unpick
Pick UnpickCursor Display:
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
File功能表
ØJobname
ØTitle
ØSAVE & RESUME
Ø將所執行過的指令存成 Log file
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
Log file
ØLog file 記錄 ANSYS 所做過的任何動作指令Ø一邊用 GUI 做 model, 一邊以文字編輯軟体 ( 如 記事本 ) 整理 log file.Ø養成習慣做 log file, 以便於 model 再讀入 ANSYS 分析 .ØGUI 指令可以 100 % 寫入 log file.ØLog file 檔案小 , 攜帶方便 .ØLog file 易於更改參數 , 活用性高 .
列示 Log file 內容
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
Parameters
• 參數化 -- 便於設計或分析變更• 與 log 檔配合運用• 指令格式 *SET, 參數名稱 , 數值
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
Workplane
網格最大及最小值
輔助網格尺寸
鎖點的尺寸大小
座標軸形式
網格及座標軸顯示設定
Ø方便於建構實體模型Ø於後處理階段方便觀察
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
Components
• Selecting ( pick, attached to …… )
• Components ( create , select )
• Assemblies
• 便於 review model , 做分類
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
Boolean operation
• Add - 常用• Subtract - 常用• Overlap - 常用• Glue - 常用• Divide - 最常用
( by WP )
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
Mesh density
• Mesh density ( size )– global size
– line divisions
– keypoint size
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
Mesh method
• Mapped mesh - 人工– concatenate lines and areas
• Smart Size mesh - 電腦自動做• Free mesh - 電腦自動做• Mesh Tool
Mapping Mesh
Free Mesh
Size Level=10 (Coarser)
Size Level=2 (finer)
Smart Mseh
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
Importing 3D CAD model
• IGES - ANSYS 內含功能 ,免費• ACIS SAT - Connection Kit 產品 • Parasolid - Connection Kit 產品• UG - Connection Kit 產品• Pro/ENGINEER - Connection Kit 產品• …
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
ANSYS 分析流程
Pre-processor
Solution
Post-processor
選用適當元素,定義元素特性及材料性質
建構被分析物之模型
產生有限元素模型
確定分析方法
設定拘束的邊界條件
設定外力或能量源的邊界條件
設定輸出控制與求解
輸出圖形或文字資料
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
Pre-processor
觀察實際問題、選定分析題型選定元素類型收集材料 性質幾何尺寸建立元素 mesh 網格化定義邊界條件
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
觀察實際問題、選定分析題型
Structural
Thermal
Fluid
Magnetic
Electric
Coupled-field
實際問題
我買的 ANSYS 模組可以做嗎 ?
61
電腦輔助工程分析 -ANSYS
選定分析題型
Structural Thermal
linear
non-linear
static
transientdynamic
vibration
material
geometry
type
boundary condition
linear
non-linear
steady state
transient
material type
boundary condition
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
選定分析題型 ( 例 1)
3D 樑問題 Structural
linear
static
material
geometry
type
boundary condition
彈性材料
小變形
固定不變
靜態問題
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
選定分析題型 ( 例 2)
Structural
non-linear
transientdynamic
material
geometry
type
boundary condition
塑性加工
大變形
接觸問題
動態問題
衝壓成型
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
選定分析題型 ( 例 3)
軸承座應力分析Structural
linear
static
material
geometry
type
boundary condition
彈性材料
小變形
固定不變
靜態問題
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
選定分析題型 ( 例 4)
Structural
linear
Vibrationmodal analysis
material
geometry
type
boundary condition
彈性材料
小變形
固定不變
振動模態問題
葉片振動問題
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
選定分析題型 ( 例 5)
IC 熱傳分析
Thermal
linear
steadystate
material type
boundary condition
熱傳性質固定
固定不變
穩態問題
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
選定分析題型 ( 例 6)
Thermal
non-linear
transient
material type
boundary condition
熱傳性質是溫度函數
隨時間改變
暫態問題與 t 有關
2D 簡化之銲接熱傳分析
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
選定元素類型
• 結構應力分析元素• 接觸分析元素• 熱傳元素• 流体 CFD 元素• 電磁場元素• Coupled-filed 元素• …
較真實之 3D 体元素– solid element (solid 45, 92, 5 ...)
• 簡化之線元素和面元素 – line element ( beam 3, 4, 188, 189 ...)– plane element (plane 42, 2, 55 ...)– shell element (shell 63 ...)
以物理現象分類
以元素外形分類
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
選定元素類型
• 体元素 , 如 solid 45.
• 面元素 , 如 plane 42.
• 線元素 , 如 beam 4.I
J
I J
KLI
JL
M
N
O
P
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
選定元素類型
• Linear
• Quadratic, high order, mid nodes
Linear Quadratic
.. ..
. ...
. . ...
Linear Quadratic
.
...... ..
..
.. ... ..
... .
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
選定元素類型
• 3D 体元素 : 模擬較接近真實
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
選定元素類型
3D 体元素 : 與真實較接近 , 但耗 CPU time.
簡化 : 線元素 , 面元素 : 由 3D 實体簡化 , 節省 CPU time.
面元素 Plane 42 axisymmetric29 elements
Solid 4529*24= 696 elements
P.S.: model 若無法簡化 , 仍然需要使用 3D 体元素 .
73
電腦輔助工程分析 -ANSYS
選定元素類型
• 面元素 Plane element
– 2D 問題– Plane stress : 很薄– Plane strain : 很厚– axisymmetric
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
選定元素類型
• 面元素 Shell element
– 3D 問題 ( 與 plane 之 2D 不同 , 須注意 ).
– 針對薄件 , 鈑金件… 可算出準確變形結果 . 計算包含 bending. 但面與面交接處應力會不準 .
– 厚 / 長或寬 < 1 / 10 (約略判定 , 不一定如此 )
– 若使用 shell, 元素數量會比 solid element 少很多 ,省時省力 .
– 結構分析的 shell element , 源於板殼力學 .
Solid 92 体元素 136860 eleme
nts
Shell 63 面元素 800 elements
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
選定元素類型
• 線元素 beam element
– 源於材料力學樑理論– 2D 問題或 3 D 問題– 厚 / 長 < 1 / 10
– 省 CPU time
Solid 45beam 4
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
選定元素類型
• 使用該元素前 , 必熟讀該元素之物理性質與理論基礎 , 以免用錯 . ( element manual )
– 例如 , 該元素是否可分析塑性材料 ?
– 該元素能算溫度嗎 ?
• 必要時 , 須翻翻相關課 本 , 以了解該元素要模擬的物理題型 , 了解該元素到底在算什麼東西 .
• 雖然有些簡化元素外形是以線或 面來表示 , 但其中某些元素的自由度可分析 3D 問題 .
• 注意 , 簡化的面元素和線元素必須設定 real constants, 如 beam 要設定截面尺寸 , shell 要設定厚度 … 而体元素因無簡化 , 所以不必設 real constants.
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
選定元素類型 ( 例 1)
3D 樑分析類型 : Structural元素 : 線元素 beam 43 D
軸承座分析類型 : Structural元素 : 体元素 solid 453 D
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
選定元素類型 ( 例 2)
金屬衝壓類型 : Structural元素 : 面元素 shell 63 target 170 contact 1733 D
葉片振動類型 : Structural元素 : 体元素 solid 453 D
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
選定元素類型 ( 例 3)
簡化 2D 銲接類型 : Thermal元素 : 面元素 plane 552 D
IC 熱傳分析類型 : Thermal元素 : 体元素 solid 703 D
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
選定元素類型 ( 例 4)
球表面流体類型 : CFD元素 : 体元素 Flotran 1423 D
引擎熱傳與熱應力分析類型 : coupled by Stru-thermal元素 : 体元素 solid 53 D
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
選定元素類型 ( 例 5)
簡化 2D 接觸分析類型 : structural元素 : 面元素 plane 42 線元素 target 169 contact 1712 D
CD-ROM 振動模態類型 : structural元素 : 面元素 shell 633 D
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
選定元素類型 ( 例 6)
汽車撞擊類型 : structural explicit dynamic元素 : 面元素 shell 1633 D
馬達分析類型 : 電磁場元素 : 体元素 EMAG3 D
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
收集材料 性質
線性材料
非線性材料
定值 :E, , k, c …yield strength ...
收集材料係數
建立公司或個人材料庫
* 材料廠商* 自行測試* 文獻資料 AISI, ASTM, JIS* ...
應力應變曲線
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
收集材料 性質
• 因時常會找不到材料係數 , 只好找最接近的材料係數加入 FEM, 計算結果再與實驗或實際測試比對差異 .
• 有時因材料原料製程不穩定 , 買到的材料實際性質未必與廠商提供的係數相同 .
• 塑膠射出成型的產品 , 其材質易受很多因素改變 (塑膠料的混合或配色、保壓時間、模具散熱、射出機壓力、澆注口數目與位置 … ), 因此必須注意 FEM 與實際的差值 !
• 非線性的材料係數較不易找到 .
• 其他原因 ...
常遇到的問題 找不到精確的材料性質係數
FEM 結果再加入 安全係數
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
收集材料 性質
• 教科書 , 材料手冊• ANSYS materials data library for analysts
– book, ANSYS Inc.
• http://www.matweb.com
– free
– about 18,000 materials
• 其他 ...
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
有限模型之建立
• ANSYS 直接建構幾何模型,再產生有限元模型• ANSYS 直接以 node 及 element 建構出有限元模型• 由 CAD 建構幾何模型,再匯入 ANSYS 產生有限
元模型• 由 CAD 建構幾何模型並產生出有限元模型,再匯
入 ANSYS 分析
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
元素 mesh 網格化
• 到底要 四邊形 (六面体 ) 元素 還是 三角形 (三角錐 ) 元素 ??
• 3D free mesh :
2D free mesh : 可自動產生 100% (>95%) 數量的四邊形元素 , 無類似 3D free mesh 三角元素太多的困擾 , 因此不必要花時間在 mapped mesh.
3D free mesh 3D mapped mesh or sweep
ANSYS 自動 mesh, 不必傷腦筋 , mesh 方便
必為三角錐元素 , mesh後元素特多
CPU time 長 , 成本高
人工設定限制條件 , 再mesh, 須多花時間
六面体元素 , mesh 後元素較少
CPU time 可縮短 , 成本低
選那一種 mesh 方式 , 視時間和成本而定 .
88
電腦輔助工程分析 -ANSYS
元素 mesh 網格化
• 注意 : 為了 free mesh, 矩形元素可退化為三角 元素
• 4邊形 , 6 面体 , Mapped mesh 必用
• 經簡化之 3角形 , 3角錐– 用於 Free & Smart size mesh
較 準較 準
較 不 準較 不 準
Plane 42 Solid 45
Free mesh 0~5% 100%
89
電腦輔助工程分析 -ANSYS
元素 mesh 網格化
• 使用三角元素時 , ANSYS 建議用 Plane 2 和 Solid 92 元素 , 因其含 mid node 準度較高 . 且無 node 集中退化 問題 .
• Plane 2 和 Solid 92 多了 mid nodes, CPU time 劇增 .• 2D free mesh : 可自動產生 100% (>95%) 數量的四邊形元素 . 可
用 plane42 , 不用 plane 2.
Solid 92 tetrahetral 退化之 solid 45Plane 2 triangular 退化之 plane 42
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
元素 mesh 網格化
• 高應力處 , 元素密度要高• 要仔細分析的部份 , 元素密度要高
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
元素 mesh 網格化
• 注意 , 若有 bad elements, mesh 要修正 , 以消除 bad elements
• bad element = distortion of element shape
• numerical errors
• 指令 : pre-processor > plot bad elements
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
元素 mesh 網格化
若幾何外形是直接由 CAD 軟體轉入 ANSYS, 須注意 :
CAD model 讀入 ANSYS 分割元素時 , 要注意元素 mesh 狀況 . 勿隨便 free
mesh 就去解出答案 , 因為若 mesh 不好 , 答案就會錯 . 修正 mes
h 元素扭曲太大 , 誤差大(bad elements)
厚度只有一個元素 , 抓不到厚度方向的應力分布
圓孔內有直角 , 注意 stress singularity
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
定義邊界條件
位移邊界條件
固定
對稱面
力邊界條件
點集中力
分布壓力
體力
結構分析
慣性力
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
定義邊界條件
• 對稱問題 , 可簡化 . 須設定對稱面 .
• 力與位移均要對稱• solution > apply > displace
ment > symmetry B.C.
對稱面
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
定義邊界條件
• 點集中 力• stress singularity
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
定義邊界條件
• 分布壓力
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
定義邊界條件
• 體力 (body force): 重力• 材料係數要加入密度• solution > apply > gravity
• 注意 : 在 ANSYS 中 , Gy 給正值 , 重力加速度指向 -y 方向 .
Gravity: Gy = 9.81 m/s2
98
電腦輔助工程分析 -ANSYS
定義邊界條件
• 慣性力 (inertia force)
• 如角速度產生之離心力• 材料係數要加入密度• solution > apply > other
> angular velocity
Angular velocity about global Y axis
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
Solution
• 定義求解形式– Static 、 modal 、 harmonic 、 transient 、…
• 輸出控制– Basic quantites 、 Nodal solution 、 Element solution 、…
• 執行求解
100
電腦輔助工程分析 -ANSYS
Post-processor
• 讀取結果– 圖形顯示 – 圖表顯示– 文字顯示– 動態顯示 ( *.avi )– 匯出圖檔 (*.TIF *.BMP)
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
ANSYS 之發展方向 : Muti-physics
• ANSYS 發展方針是把所有物理現象融合於一體做計算 , 以模擬出最接近實際的結果 . 目前 ANSYS / Mutiphysics 模組已可模擬多物理現象的問題 .
ANSYS / Multiphysics
Structural
Thermal
Fluid , CFD
Electro -magnetic
non-linear
transient
102
電腦輔助工程分析 -ANSYS
不適當之分析步驟
• 一般人一開始就想建最複雜完整之 FEM 模型 , 急著丟入電腦計算 . 但往往因設定錯誤或其他原因 ,而得到一堆垃圾結果 .
• 循序漸進 , 穩紮穩打 . 一步步由簡化模型做到複雜之完整模型 .
觀念更正
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
正確之分析步驟 ( 範例 )
beam 4 solid 45
簡化元素
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
正確之分析步驟 ( 範例 )
對於 3D 問題 , 先以 2D 計算 , 再分析 3D.
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
正確之分析步驟 ( 範例 )
Sub-modeling
(a) 先做粗略元素 , 求出整體位移 場 . 可先不考 慮局部區域的 圓角 .
(b) 再針對局部重 要部份加入圓 角 , 做元素細分 , 求出應力值 .
106
電腦輔助工程分析 -ANSYS
正確之分析步驟 ( 範例 )
• 有些問題 (如振動問題 )只看位移 , 不看應力 , 一些小的幾何形狀 (圓角 ,小孔 ...) 可省略 , 以節省元素數目 . 這對於位移場不會有太大的影響 .
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
如何用 FEM 得到準確結果 ?
• 未必每個題目都能立刻確認 FEM 答案是否精確可確認
* 無實驗設備 , 或無法以實 驗去驗證答案* 無理論解析解 (analytical solution) 供比較* 無任何資料數據可比對* 有應力奇異點 singularity
* 以實驗驗證答案* 有理論解析解供比較* 現有之文獻資料數據及經驗值* 無應力奇異點 , 可增加元素 數目得到收斂之模型
FEM 實際答案確認 : 1. true prototype 測試 2. 產品上市後客戶反應之問題
無法確認
Design rule
Design rule
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電腦輔助工程分析 -ANSYS
一定要 100% 精確的答案嗎 ?
• 當然越準越好 .• 通常複雜的 FEM model 須要大量 CPU 時間去計算 , 費時費力 . 因此以簡化模型計算較快 , 較具競爭力 .
• 簡化模型未必可達 100 % 準度 , 至於簡化之 FEM model 要修正到多準 , 由工程師判定 .
• 有些問題必須要求非常精確的答案 (error< 1%), 就必須多花時間去建構 FEM model.
例如 , 一個 FEM model 計算結果與實際情況 , 有 20 % 誤差 , 但若能以此計算結果找出設計參數與規則 , 掌握 know-how , 就算沒把誤差降到 2 %, 也已達到設計目的 , 做出更好產品 , 降低成本 .