電腦輔助講義

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


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


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


ANSYS 應用實例 (3)軸承座應力分析

(from ANSYS Inc.)

5


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

6


有限元素法

FEM meshGeometric model

7


有限元素法

應力分析結果

8


ANSYS 應用實例 (1)渦輪葉片振動分析

(from ANSYS Inc.)

9


ANSYS 應用實例 (2)RICOH CD-ROM 結構振動模態分析

(from Ricoh and ANSYS Inc.)

10


ANSYS 應用實例 (3)軸承座應力分析

(from ANSYS Inc.)

11


ANSYS 應用實例 (4)汽車撞擊測試模擬

(from ANSYS Inc.)

12


ANSYS 應用實例 (5)電子產品落下試驗模擬

(from ANSYS Inc.)

13


ANSYS 應用實例 (6)流體力學分析

(from ANSYS Inc.)

14


ANSYS 應用實例 (7)IC 封裝熱傳與熱應力分析

(from Liu)

15


ANSYS 應用實例 (8)IC 封裝錫球疲勞壽命分析 Ref: R. Darveaux (Amkor)

(from ANSYS Inc.)

16


ANSYS 應用實例 (9)滾壓加工分析

(from ANSYS Inc.)

17


ANSYS 應用實例 (10)金屬衝壓成型模擬

(from Liu)

18


ANSYS 應用實例 (11)3D 空間流場分析

(from S.C. Ku)

19


ANSYS 應用實例 (12)旋轉主軸應力分析

(from ANSYS Inc.)

20


ANSYS 應用實例 (13)引擎熱應力分析

Engine Piston

Engine

(from ANSYS Inc.)

21


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.)

22


ANSYS 應用實例 (15)銲接之 2 D 熱傳模擬

(from Liu)

23


ANSYS 應用實例 (16)馬達電磁場分析

(from ANSYS Inc.)

24


ANSYS 應用實例 (17)破壞力學裂縫分析

(from Liu)

25


ANSYS 應用實例 (18)Wire bending

(from ANSYS Inc.)

26


ANSYS 應用實例 (19)Rubber Boot Seal

(from ANSYS Inc.)

27


ANSYS 應用實例 (20)齒輪應力分析

(from ANSYS Inc.)

28


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

29


應用於MEMS分析 :扭力共振器


30


應用於MEMS分析 :靜電式的微鏡面


31


應用於MEMS分析 :梳狀致動器


32


應用於MEMS分析 :微流道分析 -非牛頓流體


120 120 mm

33


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 .

34


ANSYS 各種產品

ANSYS/Multiphysics

ANSYS/MechanicalANSYS/Mechanical

ANSYS/Professional

ANSYS/FlotraANSYS/Flotrann

ANSYS/EmagANSYS/Thermal

ANSYS/Structural

35


ANSYS 軟體架構

Begin Level

PREP7

Processor

POST1

Processor

Solution

Processor

POST26

Processor

/PREP7 /POST1/POST26/SOLU

FINISH FINISHFINISHFINISH

Enter ANSYS /EXIT

36


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 .

37


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

38


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

39


ANSYS軟體介面簡介

Utility Menu

Main Menu

Graphic Windows

Output Windows

Input Windows Toolbar

40


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


Main Menu

• “…”表示尚有對話框• “ + ”表示尚有選取視窗• “ > ”表示尚次功能表

42


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

43


Toolbar

• 增加工作效率• 可自行添加按鈕

44


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

45


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

46


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

47


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

48


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：

49


File功能表

ØJobname

ØTitle

ØSAVE & RESUME

Ø將所執行過的指令存成 Log file

50


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

51


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

52


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

53


Components

• Selecting ( pick, attached to …… )

• Components ( create , select )

• Assemblies

• 便於 review model , 做分類

54


Boolean operation

• Add - 常用• Subtract - 常用• Overlap - 常用• Glue - 常用• Divide - 最常用

( by WP )

55


Mesh density

• Mesh density ( size )– global size

– line divisions

– keypoint size

56


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

57


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• …

58


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

59


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

60


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


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

62


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

63



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

64



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

65



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

66



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

67



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

68


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

69


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

70


選定元素類型

• Linear

• Quadratic, high order, mid nodes

Linear Quadratic

.. ..

. ...

. . ...

Linear Quadratic

.

...... ..

..

.. ... ..

... .

71


選定元素類型

• 3D 体元素 : 模擬較接近真實

72


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


選定元素類型

• 面元素 Plane element

– 2D 問題– Plane stress : 很薄– Plane strain : 很厚– axisymmetric

74


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

75


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

76


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.

77


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

78



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

79



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

80



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

81



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

82



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

83


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

84


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

85


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 ...

86


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

87


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



• 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



• 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

90



• 高應力處 , 元素密度要高• 要仔細分析的部份 , 元素密度要高

91



• 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

92



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

93


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

94


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

95


定義邊界條件

• 點集中力• stress singularity

96


定義邊界條件

• 分布壓力

97


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


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

99


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


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)

101


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


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

103


正確之分析步驟 ( 範例 )

beam 4 solid 45

簡化元素

104



對於 3D 問題 , 先以 2D 計算 , 再分析 3D.

105



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



• 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 .

107


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

108


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 .

電腦輔助講義

Documents

Transcript of 電腦輔助講義