自動(dòng)化完成多組CAE分析 修改產(chǎn)品設(shè)計(jì)不再重來(lái)

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程中，進(jìn)行CAE分析判讀是必要的，藉由設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化（DPS）可達(dá)到自動(dòng)化分析，幫助使用者快速完成整個(gè)CAE分析流程。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)間要進(jìn)行CAE分析，需要進(jìn)行一連串的工作項(xiàng)目，如圖1所示。首先CAD工程師在CAD軟件建立產(chǎn)品幾何模型，并導(dǎo)出模型幾何文件。接著由CAE工程師在CAE軟件中匯入模型文件，完成邊界條件給定、材料選擇、生成網(wǎng)格、成型條件設(shè)定等步驟后，才能進(jìn)行CAE分析。

CAE分析結(jié)束后，還需要CAE工程師判讀結(jié)果。如果CAE判讀發(fā)現(xiàn)成型上有缺陷問(wèn)題，又得重新回到CAD軟件上修改產(chǎn)品模型，再重復(fù)一連串相同的流程后，直到產(chǎn)品模型設(shè)計(jì)優(yōu)化到能夠大量生產(chǎn)。

一個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的變動(dòng)，就必須重新跑一次流程，加上檔案轉(zhuǎn)文件、CAE計(jì)算的時(shí)間，往往耗費(fèi)巨大的時(shí)間與人力成本。這樣的工作流程，也無(wú)法由CAD工程師獨(dú)立完成，原因是CAD工程師雖有CAD編輯的能力，但是缺乏使用CAE分析與優(yōu)化工具的經(jīng)驗(yàn)。

為了解決此問(wèn)題，Moldex3D開(kāi)發(fā)全新功能－Moldex3D SYNC設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化（Design Parameter Study；DPS），可達(dá)到自動(dòng)化分析，幫助使用者快速完成整個(gè)CAE分析流程。

 
圖1 : CAE分析流程圖

設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化（DPS）
在設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化（DPS）的工作流程中，首先會(huì)需要一組參考組別來(lái)當(dāng)作此次優(yōu)化的對(duì)照組。從參考組別的CAE分析結(jié)果中找到需要改善的結(jié)果項(xiàng)后，CAD工程師可以在CAD環(huán)境下，透過(guò)熟悉的CAD幾何編輯工具，采用幾何參數(shù)建?；蛑苯咏５姆绞剑槍?duì)會(huì)影響目標(biāo)結(jié)果項(xiàng)的幾何參數(shù)進(jìn)行造型及尺寸變更。

接著使用者可以透過(guò)DPS中的控制因子選擇幾何特征，并且給予每個(gè)特征變動(dòng)的上下限與變動(dòng)量。在進(jìn)行優(yōu)化分析之前，還需選定質(zhì)量因子，即為此次優(yōu)化改變幾何參數(shù)的目標(biāo)。

最后可以選擇全因子分析（full factorial design；FFD）或田口法（Taguchi method）來(lái)進(jìn)行排列組合，每一個(gè)組合都代表了不同的造型/尺寸設(shè)定，這樣的尺寸組合設(shè)計(jì)可能高達(dá)數(shù)十種。DPS會(huì)自動(dòng)根據(jù)不同的尺寸設(shè)計(jì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的3D幾何。

通過(guò)檢驗(yàn)的3D幾何會(huì)接續(xù)自動(dòng)實(shí)例化網(wǎng)格、給定邊界條件、給定材料及成型條件等步驟后，并啟動(dòng)CAE分析，甚至進(jìn)行設(shè)計(jì)組合上的并行計(jì)算，減少CAE分析的等待時(shí)間。透過(guò)這樣的方式，即可達(dá)到分析自動(dòng)化，避免人工操作和錯(cuò)誤設(shè)定發(fā)生。

DPS會(huì)在分析結(jié)束后，匯整所有的設(shè)計(jì)參數(shù)組合及分析目標(biāo)結(jié)果在一曲線圖表上。產(chǎn)品設(shè)計(jì)師可查看每個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)組合的成型數(shù)據(jù)，找到最佳的產(chǎn)品幾何設(shè)計(jì)參數(shù)。

實(shí)際案例示范
在圖2案例中，產(chǎn)品的縫合線出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)較薄弱的地方。藉由產(chǎn)品設(shè)計(jì)的改變，可將縫合線位置往結(jié)構(gòu)較強(qiáng)的地方靠近。


 
圖2 : 實(shí)際案例之縫合線位置

首先使用CAD的功能來(lái)變更特定區(qū)域的產(chǎn)品厚度，以改變縫合線位置，如圖3。藉由DPS功能來(lái)優(yōu)化厚度變更參數(shù)，控制因子的部分選擇變更厚度的特征；質(zhì)量因子則選擇回流檢測(cè)，如圖4。


圖3 : 變更厚度位置


 
圖4 : 回流檢測(cè)線段位置與方向

回流檢測(cè)的定義為流動(dòng)波前正向的百分比，可以藉由此結(jié)果項(xiàng)來(lái)判斷縫合線有無(wú)在特定區(qū)域出現(xiàn)。最后透過(guò)全因子法進(jìn)行優(yōu)化分析。

實(shí)際案例結(jié)果判讀
從優(yōu)化分析結(jié)果中，可透過(guò)圖5的平行坐標(biāo)圖（parallel coordinates plot），看到所有組合的控制因子與質(zhì)量因子關(guān)系。圖中回流檢測(cè)結(jié)果100%的有數(shù)組，因此可以再透過(guò)圖6的質(zhì)量響應(yīng)圖（quality response plot）來(lái)判斷何組為最佳組。從質(zhì)量響應(yīng)圖可以看到，當(dāng)控制因子水平越高，對(duì)回流檢測(cè)的數(shù)值也會(huì)越高。在此次的優(yōu)化中，可看出第九組為最佳組，如圖7。

 
圖5 : 平行坐標(biāo)圖

 
圖6 : 品質(zhì)響應(yīng)圖


 
圖7 : 實(shí)際案例優(yōu)化最佳組

設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化（DPS）除了可以透過(guò)SYNC本身進(jìn)行分析外，也積極與其他優(yōu)化軟件進(jìn)行整合，透過(guò)其他優(yōu)化軟件的算法配合SYNC本身的CAE自動(dòng)化流程，協(xié)助用戶找到最佳的產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)。此外，SYNC也積極在開(kāi)發(fā)澆口位置優(yōu)化，并且在未來(lái)提供更多的優(yōu)化方法供使用者選擇。
（本文作者張中瑋為科盛科技研究發(fā)展部工程師）