什麼是CAE?CAE基本介紹與應用發展

black and silver laptop computer on table

什麼是CAE?

CAE為Computer Aided Engineering的縮寫,中文名稱為電腦輔助工程,顧名思義就是用電腦來幫我們解決工程上的實際問題,現在多半都是指運用電腦模擬來分析物理問題。舉個例子來說,如果我現在想知道某根懸臂樑受力後的變形狀況,可以不用做實驗,直接透過電腦模擬得知懸臂樑變形狀況,是不是相當方便呢?

隨著電腦的快速發展,CAE的發展與應用也越來越蓬勃。儘管CAE可以幫我們解決很多工程問題,但技術的發展往往一體兩面,底下是有關CAE的優缺點,我們就一起來看看吧!

CAE優點

  • 節省實驗成本與時間,加速開發流程
  • 現實中難以實驗求得的物理量也能透過模擬求得
  • 較容易觀察物理現象與物理量變化
  • 能透過數值方法來進一步最佳化產品性能

CAE缺點

  • 模擬界名言:Garbage in, garbage out.
  • 大規模計算往往需要價格昂貴的高性能設備
  • 模擬結果判讀仍需要工程人員經驗與知識才能正確判斷

我們不難想像運用電腦模擬的好處就是節省實驗成本與時間。然而,一旦模擬設定與現實狀況有所出入,模擬結果不僅毫無參考價值,如果工程人員還誤信模擬結果,那可是一場災難。所以CAE雖然是個相當便利的工具,但使用者仍需有一定的工程素養,才能讓這個利器發揮最大價值。

CAE的應用有哪些?

CAE的應用範圍可說是不勝枚舉,舉凡結構分析、多體動力學、流場分析、聲學模擬、電磁場模擬等等都是CAE可以處理的問題。這麼說可能還有些抽象,底下主廚整理了幾個例子,大家一起來實際看看CAE究竟能做到哪些事情吧!

懸臂樑靜態結構分析

第一個例子就是本文開頭說的懸臂樑結構分析,我們可以從下列影片看到懸臂樑受力後的變形狀況與應力變化。

行星齒輪組運動模擬

除了靜態的結構分析以外,CAE也能處理多體動力學問題。下面這個影片是行星齒輪組的模擬,透過模擬可以得知每個零件在不同時刻下的位置、速度、加速度等運動資訊,工程人員便能透過這些資訊來評估現有設計有沒有需要變更。

顆粒攪拌混合模擬

第三個例子是花生與胡桃在攪拌槽中的模擬。我們可以得知顆粒們在不同時刻下的混合狀況,藉此判斷目前設計是否有滿足需求。

圓柱繞流模擬

除了前面幾個與固體相關的模擬外,CAE也能處理流體問題。底下例子是個有關圓柱繞流的模擬。雷諾數(Reynold’s number)等於250的時候,氣流會在圓柱後方形成兩道交錯排列的不對稱渦流。

汽車排氣管噪音模擬

底下這個影片則是汽車排氣管的噪音模擬。透過模擬得知排氣管內部噪音源位置後,再來變更設計以達到降噪效果。

 

CAE基本流程

看了這麼多應用以後,想必各位都對CAE有些基本的認識了。不過前面說了這麼多,都還只是在講CAE的優缺點與相關應用。如果我們真的要用CAE來解決工程問題,實際操作起來是如何?整個流程可分成這幾個步驟:幾何模型處理、前處理、求解、後處理其中幾何模型處理也能歸類在前處理這個環節。

假設我們現在想知道自來水在管路的流動狀況,我們應該要怎麼模擬呢?底下會以這個例子來說明CAE的大致流程。

Step0:幾何模型處理

首先第0個步驟就是幾何模型處理,為什麼說是第0個步驟呢?一來是這個步驟還不會用到模擬軟體,二來是大多數文章都會把這個步驟當成前處理環節的一部份。而這邊特別把幾何模型處理獨立出來,主要是因為處理好壞會很大程度地影響求解,有時候處理起來也相當繁瑣,所以才特別提出來講。

我們以自來水在管路流動這個例子來解釋,對流體模擬不熟悉的人可能會把管路外殼丟到模擬軟體,弄了一陣子後卻無法模擬。為什麼呢?因為在流體模擬中需要的是流體流動的內部空間,而一般狀況下並不會特地繪製內部空間,所以我們必須要根據外殼幾何來繪製內部空間。

此外,模型內部的複雜特徵也都要盡量簡化。雖然管路比較沒有複雜特徵,但像是吹風機、吸塵器之類的產品內部都相當複雜,如果沒有適當簡化模型,將會耗費大量資源計算,甚至求解失敗。至於能夠簡化到什麼程度,這就得仰賴工程人員的判斷。綜上所述,幾何模型處理雖然不會用到模擬軟體,卻是相當關鍵的環節。

Step1:前處理

前處理主要是劃分網格與設定模擬條件。光是這樣說可能有點難懂,主廚再來進一步解釋。

通常模擬對象的幾何都相當複雜,沒有辦法直接計算這個幾何對應的統御方程式(Governing equation)。為了解決這個問題,研究人員將這個複雜形狀切成複數個單純的元素(Element),可能是正方體、多面體等等形狀,接著在每個元素上求解方程式,再透過數學運算得到整個複雜形狀對應的模擬結果。這個將複雜形狀切成複數個元素的步驟就是劃分網格。圖1就是把不規則形狀切成好幾個元素的例子。

CAE的網格劃分
圖1 網格劃分

試著想想,假設今天有人要你算出自來水在管路中的流動狀況,卻沒有跟你說源頭有多少水流進來,也不告訴你出口有沒有堵塞,這樣還能計算嗎?所以設定模擬條件就是告訴軟體要在怎樣的情況下計算這個問題,最常見的就是出入口條件,一般稱為邊界條件(Boundary condition)。除此之外,條件設定也包含不同物理模型選用與介質選定等等。

Step2:求解

完成模擬設定後,我們要來求解自來水在管路中的流動狀況。在前處理步驟中,我們需要告訴軟體在怎樣的情況下來計算問題。同樣地,我們在求解步驟一樣要告訴軟體用什麼方法來計算這個問題,包含網格離散格式、求解演算法選用等等。完成求解設定後,接著就是靜待軟體或自行撰寫的程式求解。

Step3:後處理

假設一切都非常順利,軟體成功計算出答案,下一步就是來查看計算結果。在前面的求解步驟中,軟體已經計算出自來水在管路流動中的速度與壓力分布等等,我們就能使用後處理軟體來查看管路內部的速度場、流跡線等資訊。假設你今天想要更改管路配置,我們就能從模擬結果判斷哪邊管路帶來較高流損,進而改善管路配置。

主廚結語

不知道各位喝完這碗CAE的雞湯感覺如何呢?由於有些讀者對CAE可能不是那麼熟悉,所以主廚寫了一篇CAE基本介紹的文章,想當年主廚就是因為看到CAE各式各樣的應用才燃起興趣,也希望這篇文章能夠讓更多人認識CAE!如果不想錯過更新的話,可以追蹤科技雞湯臉書專頁Instagram喔!也請各位期待下一碗雞湯!

 

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