摘要： CAE 拓?fù)鋬?yōu)化發(fā)展至今已相當(dāng)成熟，但使用 CAE 軟件需要有足夠的理論知識，故企業(yè)必須聘請專門之CAE工程師應(yīng)用CAE軟件，使得CAE拓?fù)鋬?yōu)化應(yīng)用無法更加普及；Altair HyperWorks為CAE行業(yè)中之最佳軟件，將其 OptiStruct優(yōu)化功能加入 solidThinking Inspire 中，發(fā)展成為簡單易用之優(yōu)化軟件，用戶不需要任何 CAE 背景知識，只需對自家產(chǎn)品設(shè)計(jì)有一定的了解，即可透過 solidThinking Inspire 進(jìn)行產(chǎn)品之結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)；再者 solidThinking Evolve 具備實(shí)時(shí)渲染彩現(xiàn)功能， CAD 工程師完成產(chǎn)品機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)后，可立即進(jìn)行產(chǎn)品渲染提案，具體表現(xiàn)產(chǎn)品制作完成后之外觀樣貌。本文以龍門機(jī)床整機(jī)拓?fù)鋬?yōu)化為例，說明 CAD 工程師如何透過 solidThinking Inspire 進(jìn)行整機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置，并以 CAE 分析驗(yàn)證其優(yōu)化結(jié)果；再以焊接機(jī)外觀美學(xué)設(shè)計(jì)為例，說明 CAD 工程師如何 以 solidThinking Evolve 進(jìn)行產(chǎn)品外觀彩現(xiàn)提案，讓 CAD 工程師充分利用 solidThinking 于產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程中。

     關(guān)鍵詞：拓?fù)鋬?yōu)化 渲染彩現(xiàn) 龍門機(jī)床 焊接機(jī) CAD 工程師

     1 概述 

     CAE 拓?fù)鋬?yōu)化目前已普遍應(yīng)用于航空、航天、汽車等產(chǎn)業(yè)機(jī)械，綜觀目前市售 CAE 軟件雖發(fā)展方向越來越趨向簡單易用，但仍需要具備一定CAE知識的CAE工程師才可以發(fā)揮 CAE 拓?fù)鋬?yōu)化的強(qiáng)大功能，且受限于CAD到CAE設(shè)計(jì)流程，CAE 拓?fù)鋬?yōu)化無法在CAD設(shè)計(jì)時(shí)完全發(fā)揮功效，然而并非所有企業(yè)都具備專業(yè)之CAE工程師，以致于CAD工程師需要兼任CAE分析驗(yàn)證工作， solidThining Inspire 應(yīng)用 Altair OptiStruct 求解器，讓CAE拓?fù)鋬?yōu)化更加簡單易用，CAD 工程師可以在 CAD 設(shè)計(jì)前期使用solidThinking Inspire快速得到結(jié)構(gòu)最佳配置，【圖一】說明 CAD 工程師應(yīng)用solidThinking Inspire之設(shè)計(jì)流程，于 CAD 軟件中定義產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)空間，再導(dǎo)入solidThinking Inspire進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化取得結(jié)節(jié)最佳配置后，以 CAD 軟件繪制結(jié)構(gòu)圖面，并配合CAE軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)證。

                                                                 圖一 solidThinking Inspire 之優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

     2 solidThinking Inspire 于龍門機(jī)床整機(jī)之拓?fù)鋬?yōu)化 

     solidThinking Inspire 已普遍應(yīng)用于臺灣之機(jī)床產(chǎn)業(yè)，龍門機(jī)床為大型機(jī)械產(chǎn)品加工必要之設(shè)備，應(yīng)用涵蓋汽車、鐵路、航天、造船、能源及石化設(shè)備等。以下說明CAD工程師如何透過solidThinking Inspire來進(jìn)行龍門機(jī)床整機(jī)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)：

     2.1 定義優(yōu)化設(shè)計(jì)空間 

     如圖二所示，CAD 工程師于 CAD 軟件中定義龍門機(jī)床五大部件之優(yōu)化設(shè)計(jì)空間，分別為頭座、 鞍座、橫梁及二立柱；

                                                                 圖二 CAD 工程師于 CAD 軟件中定義優(yōu)化設(shè)計(jì)空間 

     2.2 定義受力邊界條件

     如圖三所示，輸入 solidThinking Inspire 定義受力邊界條件，包括： 

     (1)立柱底部前端二平面拘束 XY 方向自由度， 

     (2)立柱底部后端二平面拘束 XYZ 方向自由度， 

     (3)建立頭部三方向切削力；

                                                                 圖三 輸入 solidThinking Inspire 定義受力邊界條件 

     2.3 定義制造約束條件

     如圖四所示，于 solidThinking Inspire 中定義各個部件之制造約束條件，分別為頭座、橫梁、立柱之 X 方向擠制約束及鞍座 YZ 平面之對稱約束，進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化之目標(biāo)定義；

                                                                                圖四 約束條件

     2.4 定義拓?fù)鋬?yōu)化目標(biāo) 

     如圖五所示，于 solidThinking Inspire 中定義拓?fù)鋬?yōu)化目標(biāo)為最大頻率下之最大剛性結(jié)構(gòu)，材料使用量為 30%，厚度控制于 15mm 以下，進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化計(jì)算，計(jì)算時(shí)間約 5 小時(shí)；

                                                                 圖五 于 solidThinking Inspire 定義拓?fù)鋬?yōu)化目標(biāo)

     2.5 定義拓?fù)鋬?yōu)化目標(biāo) 

     如圖六所示，于 solidThinking Inspire 得到結(jié)構(gòu)最佳配置，CAD 工程師按照此結(jié)構(gòu)最佳配置于 CAD 軟件中進(jìn)行結(jié)構(gòu)圖面繪制；

                                                                 圖六 于 solidThinking Inspire 得到結(jié)構(gòu)最佳配置

     3 solidThinking Inspire 之優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證 

     如圖七所示，五軸加工頭座原始設(shè)計(jì)之重量為 221kg，在受切削力 5400N 下之最大變形量為 12.63um；利用 solidThinking Inspire 進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化計(jì)算得到結(jié)構(gòu)最佳配置后進(jìn)行 CAE 驗(yàn)證，優(yōu)化后之結(jié)構(gòu)重量為 202kg，最大變形量為 12.58um，有效減輕重量并提高剛性，達(dá)到質(zhì)輕高剛性之設(shè)計(jì)需求。

                                                                 圖七于 solidThinking Inspire 得到結(jié)構(gòu)最佳配置

     4 solidThinking Evolve 于焊接機(jī)之外觀渲染彩現(xiàn)提案 

     如圖八所示，焊接機(jī)之主要功用為承載加工件進(jìn)行焊接工序，其主要結(jié)構(gòu)由鈑金焊接組成，焊 接機(jī)的原始外觀與其他競爭對手雷同，無市場區(qū)隔性，CAD 工程師利用有限元軟件進(jìn)行承載力之優(yōu) 化得到各鈑金之最佳組合，以便提升產(chǎn)品之剛性承載力，為打造具備市場特色之產(chǎn)品外觀，進(jìn)行產(chǎn) 品外觀美學(xué)設(shè)計(jì)，以快艇為設(shè)計(jì)意象，透過 solidThinking Evolve 進(jìn)行渲染彩現(xiàn)提案，快速定義高價(jià) 值且符合原創(chuàng)品牌精神之產(chǎn)品外觀，侵入市場并增加市場銷售量。

                                                                  圖八 焊接機(jī)原始外型 / 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析 / 美學(xué)設(shè)計(jì)外型

     5 總結(jié) CAD 

     工程師作為各個產(chǎn)業(yè)研發(fā)設(shè)計(jì)之關(guān)鍵人員，集結(jié)了各項(xiàng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵 know-how， solidThinking 結(jié)合了 Altair OptiStruct 關(guān)鍵之拓?fù)鋬?yōu)化及實(shí)時(shí)渲染彩現(xiàn)功能，發(fā)展為簡單易用之 Inspire 及 Evolve，協(xié)助 CAD 工程師進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置及外觀渲染提案，更直接地提升 CAD 工程師的能力展現(xiàn)，為企業(yè)之產(chǎn)品設(shè)計(jì)注入更大的研發(fā)能量，提升企業(yè)競爭力。 

     6 參考文獻(xiàn) 

     [1] solidThinking User’s Manual 

     [2] HyperWorks User’s Manual 

     [3] Dechnology 2013 機(jī)械美學(xué)設(shè)計(jì)競賽作品

 

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