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自動化完成多組CAE分析 修改產品設計不再重來
 

【作者: 張中瑋】   2022年07月25日 星期一

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在產品設計流程中,進行CAE分析判讀是必要的,藉由設計參數優化(DPS)可達到自動化分析,幫助使用者快速完成整個CAE分析流程。


在產品設計階段要進行CAE分析,需要進行一連串的工作項目,如圖1所示。首先CAD工程師在CAD軟體建立產品幾何模型,並匯出模型幾何檔。接著由CAE工程師在CAE軟體中匯入模型檔,完成邊界條件給定、材料選擇、生成網格、成型條件設定等步驟後,才能進行CAE分析。


CAE分析結束後,還需要CAE工程師判讀結果。如果CAE判讀發現成型上有缺陷問題,又得重新回到CAD軟體上修改產品模型,再重覆一連串相同的流程後,直到產品模型設計優化到能夠大量生產。


一個產品設計的變動,就必須重新跑一次流程,加上檔案轉檔、CAE計算的時間,往往耗費巨大的時間與人力成本。這樣的工作流程,也無法由CAD工程師獨立完成,原因是CAD工程師雖有CAD編輯的能力,但是缺乏使用CAE分析與優化工具的經驗。


為了解決此問題,Moldex3D開發全新功能-Moldex3D SYNC設計參數優化(Design Parameter Study;DPS),可達到自動化分析,幫助使用者快速完成整個CAE分析流程。



圖1 : CAE分析流程圖
圖1 : CAE分析流程圖

設計參數優化(DPS)

在設計參數優化(DPS)的工作流程中,首先會需要一組參考組別來當作此次優化的對照組。從參考組別的CAE分析結果中找到需要改善的結果項後,CAD工程師可以在CAD環境下,透過熟悉的CAD幾何編輯工具,採用幾何參數建模或直接建模的方式,針對會影響目標結果項的幾何參數進行造型及尺寸變更。


接著使用者可以透過DPS中的控制因子選擇幾何特徵,並且給予每個特徵變動的上下限與變動量。在進行最佳化分析之前,還需選定品質因子,即為此次最佳化改變幾何參數的目標。


最後可以選擇全因子分析(full factorial design;FFD)或田口法(Taguchi method)來進行排列組合,每一個組合都代表了不同的造型/尺寸設定,這樣的尺寸組合設計可能高達數十種。DPS會自動根據不同的尺寸設計產生對應的3D幾何。


通過檢驗的3D幾何會接續自動產生實體網格、給定邊界條件、給定材料及成型條件等步驟後,並啟動CAE分析,甚至進行設計組合上的平行計算,減少CAE分析的等待時間。透過這樣的方式,即可達到分析自動化,避免人工操作和錯誤設定發生。


DPS會在分析結束後,彙整所有的設計參數組合及分析目標結果在一曲線圖表上。產品設計師可查看每個設計參數組合的成型數據,找到最佳的產品幾何設計參數。


實際案例示範

在圖2案例中,產品的縫合線出現在結構較薄弱的地方。藉由產品設計的改變,可將縫合線位置往結構較強的地方靠近。



圖2 : 實際案例之縫合線位置
圖2 : 實際案例之縫合線位置

首先使用CAD的功能來變更特定區域的產品厚度,以改變縫合線位置,如圖3。藉由DPS功能來優化厚度變更參數,控制因子的部分選擇變更厚度的特徵;品質因子則選擇回流檢測,如圖4。



圖3 : 變更厚度位置
圖3 : 變更厚度位置

圖4 : 回流檢測線段位置與方向
圖4 : 回流檢測線段位置與方向

回流檢測的定義為流動波前正向的百分比,可以藉由此結果項來判斷縫合線有無在特定區域出現。最後透過全因子法進行最佳化分析。


實際案例結果判讀

從最佳化分析結果中,可透過圖5的平行座標圖(parallel coordinates plot),看到所有組合的控制因子與品質因子關係。圖中回流檢測結果100%的有數組,因此可以再透過圖6的品質響應圖(quality response plot)來判斷何組為最佳組。從品質響應圖可以看到,當控制因子水準越高,對回流檢測的數值也會越高。在此次的最佳化中,可看出第九組為最佳組,如圖7。



圖5 : 平行座標圖
圖5 : 平行座標圖

圖6 : 品質響應圖
圖6 : 品質響應圖

圖7 : 實際案例優化最佳組
圖7 : 實際案例優化最佳組

設計參數優化(DPS)除了可以透過SYNC本身進行分析外,也積極與其他最佳化軟體進行整合,透過其他最佳化軟體的演算法配合SYNC本身的CAE自動化流程,協助使用者找到最佳的產品設計參數。此外,SYNC也積極在開發澆口位置最佳化,並且在未來提供更多的最佳化方法供使用者選擇。


(本文作者張中瑋為科盛科技研究發展部工程師)


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