西門子NX CAD-CAM-CAE

NX CAE

什麼是CAE?

Computer-Aided Engineering（計算機輔助工程）：應用電腦來分析模擬實際的物理問題，均可稱為CAE。若以白話的方式來說，CAE是瞭解即產品「壞掉」的一門學問：

「什麼時間可能會壞掉？」
「哪個部位可能先壞掉？」
「可能如何壞掉？」
「使用起來是否舒適？」

學理的說法是，CAE是利用“虛擬實驗”的方式在產品生產前預測生產後的結果，可以事前有效發現問題並改善。例如由：結構、熱傳導、流體流場、結構振動、振動噪音、多物理場耦合…等問題對模型所產生的影響會不會造成我們的產品壞掉，經過以上CAE項目測試過後，就可以確保我們的產品 :

1.精度又高

2.比較耐用

3.進一步優化產品特性

4.有效的讓工程師縮短工作時程

5.企業能夠縮短產品上市時間

CAE涉及的範圍

應用領域：沒有限制，幾乎任何領域都可應用

CAE分析的類型很多，例如結構應力分析、變形分析、振動分析、流體流場分析、熱傳分析、電磁場分析、塑膠射出成型流動分析、機構運動分析等，都是CAE領域，也在我們的生活中大量被應用著，您一定不陌生：

土木結構計算及高樓是否耐震
高速列車進站時的風壓對站體影響
車輛碰撞及風阻係數分析
電子產品散熱
鞋墊耐衝擊測試
衛星軌道輻射熱

顯然，我們生活周遭有許多無形的CAE應用，一直在改善我們生活。

產業常見的問題與需求：以下列舉一些產業常見的CAE分析需求

工具機台必須具備足夠的剛性才能確保加工精密度

大客車的車身骨架必須符合法規，具備能夠避免骨架塌陷導致人體受到傷害的強度。

掉落測試

手持式產品會進行裸摔測試。

耐疲勞壽命

產品結構任一點的應力是否過高？評估在動件機構反覆測試後, 產品可以承受多少次的使用壽命? 利用CAE非線性分析, 可精準預測機構件在作動過程的應力變化，並搭配疲勞分析，可以預測承受多少次開合後會破壞，例如：飛機起落架、交通工具上的螺絲。

減重設計

利用CAE 拓樸優化，可以指導設計在不影響結構強度的情況下完成減重設計。

風機流量分析

利用FLOW流體分析，可以分析風機的性能曲線。

系統散熱分析

散熱是任何可靠設計都要考慮的重要部分，散熱無論在性能和產品使用安全性與產品壽命方面，都有著重要的作用。

燃油車輛的動力是由燃料在引擎內燃燒爆發的膨脹壓力產生動力，燃料燃燒產生高溫，引擎的高溫除了車輛外型的導流設計帶走大量的熱，也有設計散熱用的水箱、風扇。許多車輛常常因為水箱或水管漏水造成引擎溫度過高發生拋錨。

現在的電腦動不動就以G來計算，若散熱不好，發出的熱能對電腦的穩定性會造成很大的影響，大部份的當機就和散熱有相當的關係。

CAE牽涉的學科

前述提到CAE涉及的範圍幾乎是沒有限制的，那背後支持的學門有哪些呢？這邊簡單先舉兩個例子分享。

下面兩圖表為由下而上依序觀看，從基礎科目到進階科目。意思說想要了解圖表最上層的知識，則建議底下的科目都需要先閱讀過，才會會比較容易應用與理解上層的知識。

例如：想要了解〝振動與模態分析〞則建議需要依序閱讀過：
微積分>工程數學>靜力學>材料力學>動力學>振動學>結構動力學，才會比較容易上手。

結構方面的分析(基本固體力學學科)

電腦運算方式

熱流方面的分析(基本熱流學科)

電腦運算方式

說明：

結構強度分析

最主要是避免工件受到外力而壞掉，這樣的話就跟材料的性質、重量、結構形狀有關係。(看參數：力、應力、應變、變形量… )

振動與模態分析

主要是避免工件發生共振而損壞，是結構分析的進階版，且加入動力學的概念，確保結構在動態的負載下不發生共振。(看參數：可能發生共振的自然頻率和模態形狀… )

疲勞與耐久性分析

避免模具大量重複使用而壞掉，且物理疲勞和耐久性測試極其浪費時間且成本高昂，因此評估產品壽命的最佳方式是進行耐久性和疲勞分析。

運動分析

主要就是做機構的分析，所以考慮的是會動的物體且加以做模擬。 (看參數：位置、速度、加速度、時間…)

結構輕量化設計與最佳化分析

探討怎麼設計會最輕、最耐用、又最好看。

振動噪音量測與分析(NVH)

討論如何降低振動所產生的噪音問題，進而影響產品的耐用度、整體舒適度、耗能大小與可靠度。諸如：汽車、機車、飛行器、船艦、重型機具(挖土機、堆高機…)、會運轉的家電(洗衣機、電風扇、吸塵器、冷氣空調)之發動機，電動機，變速箱，泵，壓縮機…等。

熱流流場及流固耦合分析

應用範圍很廣，主要包括：引擎、渦輪機、壓縮機、幫浦、發電機、推進器、燃燒系統、冷凍空調系統、能源替代系統。探討流體速度、壓力、密度、溫度。

以上的分析方式大部分都是用有限元素法搭配電腦的數值分析去做處理運算。數值分析就是將龐大運算交給電腦做處理與運算、有限元素分析可以理解為切網格的意思。所以我們將CAE流程分為3個部分【前處理】>【求解】>【後處理】，以下來一一詳細介紹！

CAE的流程

【前處理】→【求解】→ 【後處理】

前處理

意思是說用CAD建模完後，要給模型定義材料，例如鐵、鋁…。然後幫模型切網格(設定)，切網格的意思是說:用一個一個的小塊累可以積成一個複雜的模型，因為小東西的物理現象好觀察與理解，切的越恰當合適之後組合起來的效果越好。然後再依照實際的情況給模型附載和邊界條件，例如牆上的掛勾，吊著的物品就是附載，掛勾跟牆壁黏起來的地方就是邊界條件。

求解

再丟到電腦去做數值運算。不同的軟體其數值運算的方式也會不同(寫的程式不一樣)，可以挑一個可靠的運算方式來運算模型就好。

後處理

電腦運算完之後就需要透過後處理，就可以完成能清楚觀看的資料或圖表囉。

CAE每一個階段涉及的工作內容說明

【前處理】→【求解】→ 【後處理】

前處理

建立幾何外型、設定材料係數、設定元素類型(網格)、設定邊界條件(施力、固定位移…)等

求解

讀取前處理器記錄之設定檔，根據輸入之條件，運用數值近似法來求解答案。

後處理

接收求解後產生之大量數據，將所有數字答案加以規則化、視覺化、圖形化、製作動畫，以便於使用者判讀分析所得的答案。

CAE操作步驟

建立幾何外型 (從NX CAD畫圖或從別處導入模型)
設定材料係數 (金屬、塑膠…)
設定元素類型 (1D, 2D, 3D)
設定邊界條件 (施力、固定位移…)
求解 (數值方法)得到圖像化資料

針對複雜形狀或複雜邊界條件的問題，用傳統的數學解析方法已經難以解決問題，所以我們必須使用CAE來解決。它能幫助我們了解多個問題的物理特性，CAE還持續在發展其應用方面，雖然如此，研究人員或工程師仍舊可以藉由CAE的分析結果，得到許多物理趨勢與設計準則，因此CAE依然非常有價值。