Kevin Yu's Blog: 對稱模型模擬應用

對CAD工程師跟CAE工程師來說，
在看待模型時的思考角度其實差異很大。

對CAD工程師來說，模型就是要作到鉅細靡遺，出圖製作時才不會發生錯誤跟漏掉東西。

但是對CAE工程師來說就完全不同，
通常是看“重點”，細節儘可能忽略不計；
至於哪些是CAE模型重點？
像我的習慣，觀察模型時：
第一看有沒有對稱現象？
第二看模型中那些東西是不重要、可以忽略的？
第三看力量傳遞的路徑，思考邊界、接觸條件應該要怎麼設定？
第四看幾何上有那些需要作網格細化處理？
...
千變萬變，不變的一個重點就是"力量傳遞路徑"，
在"力量傳遞路徑上的模型設定要夠好。

在機構設計上，對稱可以說是一種平衡，是一種美學...

對稱設計的零件在製作過程跟使用上可以避免掉很多問題與困難。
設計師一般很少會在設計時故意作成不對稱的形狀，
最多是在一些小細節上的安裝、固定孔位，或者是安裝附件影響到對稱性，
否則在主要形狀的設計上幾乎都是對稱的。

~~當然在創新的時代中，不對稱成為另外一種美學，另當別論。~~

對稱的型式有很多種，像圓球是點對稱，從中心點看任何一個位置都一樣，

當邊界條件也是點對稱時，圓球的中心點基本上是一個不會有任何位移的點。

在機械設計上圓柱是一種軸對稱，
在模型設計時只要利用一個半剖面，繞中心軸將剖面轉一圈就可以產生一個柱狀物，

如果邊界條件也是軸對稱時，基本上軸心在半徑跟旋轉方向應該是沒有位移的，
但是在軸向可能會有位移。

很多生物在外觀幾乎都有左右對稱的特性，例如魚可以剖成兩半左右對稱，

除體色以外，左右對稱的錦鯉，圖片來源：台灣錦鯉網

機械設計上左右對稱的例子如軸承座、機械手臂的fork，更是多不勝數。

機械手臂用牙插(Fork)，圖片來源：環航複合材料科技

軸承座，左右兩側對稱

當邊界條件也有左右對稱的特性時，對稱面應該在法線方向上會沒有任何位移。

以上在描述對稱時，對對稱點、線、面都有強調"沒有位移"的狀況發生，
點對稱在點上所有自由度都受到限制，
軸對稱上軸的半徑與旋轉方向受到限制，
面對稱在面的法線方向上受到限制，
這些描述到時候就是邊界條件中的"約束"條件，
在FEM模型中，給越多約束條件就越容易在計算時收斂，
這也就是為什麼我會在一開始就去注意模型有沒有對稱？
一但有了對稱現象，模擬就相對容易了，
包括設定過程，
包括計算收斂速度。

在各分析軟體中，由於經常會使用對稱條件，
所以在設定約束條件時，多數會提供快速設定對稱條件的功能，
在Inventor應力分析中，這個條件可以用約束中的“無摩擦”。