自動化完成多組CAE分析 修改產品設計不再重來

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。

在產品設計時間要進行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軟件建立產品幾何模型，并導出模型幾何文件。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、生成網格、成型條件設定等步驟后，才能進行CAE分析。

CAE分析結束后，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軟件上修改產品模型，再重復一連串相同的流程后，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，加上檔案轉文件、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

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后，CAD工程師可以在CAD環境下，透過熟悉的CAD幾何編輯工具，采用幾何參數建?；蛑苯咏５姆绞?，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征，并且給予每個特征變動的上下限與變動量。在進行優化分析之前，還需選定質量因子，即為此次優化改變幾何參數的目標。

最后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幾何會接續自動實例化網格、給定邊界條件、給定材料及成型條件等步驟后，并啟動CAE分析，甚至進行設計組合上的并行計算，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會在分析結束后，匯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。

實際案例示范
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

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征；質量因子則選擇回流檢測，如圖4。


圖3 : 變更厚度位置


 
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。最后透過全因子法進行優化分析。

實際案例結果判讀
從優化分析結果中，可透過圖5的平行坐標圖（parallel coordinates plot），看到所有組合的控制因子與質量因子關系。圖中回流檢測結果100%的有數組，因此可以再透過圖6的質量響應圖（quality response plot）來判斷何組為最佳組。從質量響應圖可以看到，當控制因子水平越高，對回流檢測的數值也會越高。在此次的優化中，可看出第九組為最佳組，如圖7。

 
圖5 : 平行坐標圖

 
圖6 : 品質響應圖


 
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，也積極與其他優化軟件進行整合，透過其他優化軟件的算法配合SYNC本身的CAE自動化流程，協助用戶找到最佳的產品設計參數。此外，SYNC也積極在開發澆口位置優化，并且在未來提供更多的優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）