Kevin Yu's Blog

2017/12/7

Inventor應力分析負載.1 力

Inventor應力分析的負載項目總共有七個，包括有 :
力
力矩
壓力
軸承
重力
本體
遠端力

其中力、力矩、壓力、重力這四個是一般人最為熟悉的，
其他軸承、本體跟遠端力就比較難從字面上就揣測其意義。

雖然力跟力矩是大家比較熟悉的負載型式，
但是在設定跟使用上有一些屬於FEA軟體特性上要注意的地方。

力的設定算是相對簡單而且容易懂的項目，
有幾個特性要注意 :
作用的位置
作用的方向
作用的大小

嗯！就算是一般的國中生都懂上面提到的這三點，有什麼難的？！

確實在概念上是很簡單沒錯，唯一要注意的是用法，

第一種方法很直覺很好用：
尤其是作用的位置，直接點點選面、幾何邊緣或幾何點即可，
再來直接給定數值，
最後給定方向，預設使用面法線方向或邊緣方向，
或使用其他的面法線、軸向、幾何邊緣線條等指定作用的方向，
必要時可使用翻轉修正方向。

第二種方法是給(X,Y,Z)三個方向的分量，
這個方法反而有難度，因為必須先取得大小與方向，
再跟據座標系統方向的角度計算三角函數值，
坦白說，還真的有點麻煩，
一般來說大概會用在比較明確跟座標系統某一軸向平行作用力的狀況，
或者是已經有另外計算取得(Fx,Fy,Fz)的狀況，
不過基本上的概念是沒有什麼大問題。

作用的位置可以選擇幾何上的點、邊緣跟面三種，
點最單純，只要有實體的幾何點都可以點選使用，
邊緣跟面就最容易出現問題，
主要的問題在於真正的力作用邊緣長度跟幾何單位長度有一樣嗎？
或者是說真正的作用面積範圍跟幾何面積範圍是一樣的嗎？
如以下二圖示，上方板件施加在下方支撐座上的力量作用面積跟真正的面積：

實際作用的單位長度或面積範圍通常會比幾何小：

這會使得力量真正作用時集中在更局部的區域，
這種現象對反作用力幾乎沒有影響，
可是對反作用力矩就會有一些影響，
也會造成應力與變形量的結果不同。

所以在模擬前，必須對幾何進行適當的前處理，
將包括力等邊界條件的作用位置使用切割指令作出來，
對一般機構設計應用上這是沒有太大作用的作業，
對大部分機械工程師來說是很少用到的功能，
但是在作CAE卻是經常要用到的功能。

2017/12/6

Inventor 應力分析約束.1 固定

在使用Inventor應力分析上，
約束條件 “固定”應該是最常使用的固定條件：

在直覺上就是用來限制特定幾何位置不能動。

在FEA中設定所謂的固定，
意義上就是指定在這些幾何上的位移量為零，不能移動，
這跟我們直覺上的固定其實是一致的。

若點選Inventor“固定”約束對話視窗右下角的向右按鈕，
可以展開進階的選項，

可以發現“固定”約束這個條件原來不只可以指定位移量為零，
還可以給一個強制位移量，
強迫特定位置移動特定的距離，
更特別的是除了可以指定特定方向位移，
還可以指定其他方向為自由移動。

所以Inventor的固定約束條件的功能，
其實比名稱上的"固定”還要多，
說真的比較過Simulation Mechanical、Nastran in CAD、Creo Simulate、NXNastran甚至Ansys，
Inventor固定約束這個功能寫得簡單又方便，
搭配結果顯示的反作用力功能，可以算是非常好用；
不需要先設量測點，
或者是選擇所有約束點再計算反作用力總合等等繁瑣的操作;
對一些強制變形要計算所需施力也很方便。

Inventor 應力分析約束.2 銷

這一個約束條件“銷”，

說穿了就是用來設定圓柱座標系統的約束條件。

一般人所熟悉的座標系統通常是以XYZ表示的直角座標系統，
但是對一些圓柱形的元件來說，
在圓柱面上徑向與切線方向的約束條件就很難用直角座標系統來進行設定，
因此就會有自訂圓柱座標系統的需求，
但是在Inventor應力分析中並不支援自訂座標系，
所以要設定圓柱上的約束條件就很難，
好在有這個“銷”約束功能可以設定徑向、切線方向跟軸向三個方向的約束，

可惜並無法像“固定”約束一樣給強制位移，也很少有機會用到就是。

在使用上以具有圓柱面的特徵為限，
例如軸件表面、孔內面等，
在應用上經常要搭配“切割”指令對軸分段，
將實際接觸表面作出來，
再給定圓柱座標系統的固定關係。

Inventor 應力分析約束.3 無摩擦平面

無摩擦平面這一個約束條件名詞，

100個用Inventor的工程師看到，
應該會有99個人想這在講什麼玩意？？？

要說容易，其實就是用在“對稱平面上的約束條件”。

首先從設定的意義來看，
這個條件的作用是：
指定平面的法線方向位移為零，面的切線方向可以自由移動，
在應用上就是前面說的：可以作為用在對稱面上的約束條件。

所以難是難在“對稱”，
在早期的FEA應用上，對稱算是非常重要的，
主要原因有二：
1. 節省元素與節點數，降低對記憶體的使用與需求量
2. 對稱面的約束條件可以增加模擬的限制條件，使模擬更容易收斂，結果也會更準確

經常有在作FEA的工程師看模型第一件事，
應該都會先看有沒有對稱，
一看到有對稱的狀況應該都會很開心，
因為計算上的收斂性瞬間大幅提高。

所謂的對稱條件指得是模型上可以找到1或多個對稱平面，
在對稱平面兩側的形狀、約束、負載有鏡射關係，
這種鏡像的狀況使得對稱平面在法線方向不會產生位移的現象。

實務上機構元件設計上本來就會經常使用對稱設計，
用以平衡受力，避免轉矩造成意外的位移，
因此在模型中其實還真的經常可以找到對稱面，
尤其是一些軸件或軸固定件等。

以一個受壓或受拉的圓柱狀或矩形為例，
可以很容易找到通過軸心或形狀中心的兩個互相垂直的對稱面，
可以將模型以對稱面為基準，
除料留下四分之一的體積，
在移除材料後就會露出這兩個實體的對稱面，
在這兩個面上就可以設定“無磨擦平面”這個條件，
體積縮小為四分之一，如下圖示：

多了兩個對稱面法線方向無法移動的限制條件，
對電腦記憶體數量跟計算所需要的時間都有很大的幫助。

NIC的線性靜力分析功能簡介-熱應力與熱變形

相對於Inventor原有的應力分析功能，
Nastran In CAD提供更多的分析功能，參考；
即使是在線性結構靜力部份，也有許多Inventor應力分析作不到模擬功能，
其中最常會被提到的就是：
熱應力與熱變形
螺絲固鎖
線性、薄殼與實體元素的混合模擬
複合材料
這幾個項目都是Inventor應力分析無法作到的線性結構靜力模擬功能。
其他的功能差異包括在後處理的部分，另外說明。

以下先就熱應力與熱變形部分介紹：

熱應力跟熱變形其實是有點互相關聯的現象，
如果元件被約束住而無法自由變形，
就會因為原本應該升溫膨脹或降溫收縮的行為被限制住而產生熱應力，
如下圖所示：

兩端約束住，應力值很大

兩端約束住的變形量

如果元件可以完全自由變形，就不太會有熱應力的產生，
所以在模擬熱應力與熱變形上，約束條件會產生很大的影響，
其他還包括約束條件無法模擬本身因為溫度跟元件應力產生的對應變形，
當然就會使得元件的熱變形模擬量偏低，熱模擬應力偏高的情況。

熱應力與熱變性的模擬計算主要是跟材料的溫度與熱膨脹係數有關，
溫度在NIC中的設定值主要是就是K，不像CFD可以自由選擇單位進行輸入；
熱膨脹係數通常是溫度的倒數，

SUS的熱膨脹係數 0.000017 (/K)

也有的會使用 m/m - K 或 μm/m -K。

熱膨脹係數有兩個要注意的地方：
不同材料的差異。
同樣材料在不同溫度下的差異。
如下圖示：

圖片來源：High Temp Metal

實務上要作高溫的資料實施難度比較高，
另外有些材料撐不了太高的溫度，也沒必要作，
一般來說多數材料僅有在室溫附近的熱膨脹係數資料。

多數材料的熱膨脹係數跟材料的主成份以及晶格結構型式有關，
合金中微量的其他成分影響作用通常不大，
所有的高、中、低碳鋼在室溫附近的熱膨脹係數其實都差不多；

但是當合金中其他材料成份比重提高時，
就有機會設計出不同膨脹係數的材料，
例如在工業上最常被用在大溫度範圍下，長度變動小的材料的恆範鋼ㄒ(Invar steel)，
合金成份中的含鎳量高達36%，如下圖示，至於原理就不在本文討論範圍內。

圖片來源：Wiki
鎳含量在36%左右時，熱膨脹係數最低。

以下以一個雙金屬片，兩接觸面間為完全黏合，
25度_℃為零應力，形狀平直的初始狀況，
模擬設定主要有：
材料1：SUS304，E=190.30 GPa，ν=0.305，α=0.000017 /K
材料2：鈦， E=102.81 GPa，ν=0.361，α=0.000009 /K
初始溫度(零應力溫度)：25℃ = 298 K

主體溫度：225℃ = 498 K

約束條件

如果同時有其他力量、強制位移等就依據原本設定進行即可。

模擬從298K到498K時因為熱膨脹係數不同產生的變形量：

主體溫度的設定使用非常的方便，
可惜在真實環境中，
除非在受控制的環境放很長的時間，
很少有整個主體溫度會是完全相同的，
所以NIC有支援從Autodesk CFD的結果檔讀取溫度分佈資料，
可以模擬更複雜溫度分佈情況下的案例。

2017/12/3

iLogic 基礎程式

前面介紹過 Inventor iLogic 最簡單的應用形式“參數指定”，參考：iLogic 參數與表單指定
對於很多只是單純尺寸變化的範例來說已經很好用了，
透過表單功能的加持，效果非常的酷炫，
對簡單的尺寸變化關係已經能夠滿足大多數的需求。

但是……，好還要更好，
例如狀況判斷，離散數列的控制等等，
就很難靠參數指定來完成相關的需求，
所以必需加入“一點”寫程式的概念。

在iLogic裡面寫程式有很大的彈性，
最簡單的用法就是前面提過參數指定使用的 “=”，
複雜點就是加上使用iLogic瀏覽器左側已經分類好的的函數，
另外加上程式區域上方的“條件陳述式”與操作子(operator)，
再複雜的情況是直接使用VBA語法。

所以iLogic確實提供了很有彈性的簡單程式撰寫介面給工程師，
從很簡單的參數指定到複雜的VBA都可以，
一般的工程師可以漸進使用與瞭解相關的語法與操作，
如果有寫程式的背景就更容易了。

另外要提醒一點的就是，
iLogic還可以支援呼叫其他的iLogic程式、Excel表單，
如此一來一些重複性的動作或複雜的計算、統計就可以更方便的提高效率。

要開始寫iLogic，
可以先從瞭解有那些函數可以使用，可以參考iLogic說明
但是千萬不要去記跟背，沒有意義，
瀏覽器左側的函數清單中分類很清楚，
隨時就可以看得到，不需要記跟背，
如果沒有列出來的也先不要管，
那是進階使用VBA的階段，以後再說。

再來是程式撰寫編輯區上方的“條件陳述式”跟“操作子”operator，

條件陳述式(邏輯判斷)的寫法可以分成兩種，
If -Then-Endif : 適合較單純的“是”跟“否”的邏輯判斷，
Case - Select Case : 適合多種狀況的選擇。

操作計算的部分除了有支援一般的加減乘除以外，
基本上就是支援Visual.NET中的數學計算函數，
至於有些需要複雜表單選擇的建議可以使用Excel輔助，
定義好輸入出的參數，傳入Excel中作好再傳回，
例如利用Excel的Lookuptable等功能會比在iLogic中作coding來得輕鬆很多。
操作子部份主要是一些邏輯判斷操作，例如AND, OR, NOT等。

這些指令寫法對有學過Basic、C、Fortran等程式語言的工程師來說應該是很輕鬆的事。

iLogic Basic : 參數與表單

想使用 Inventor iLogic 可以從"參數指定"與"VBA(程式)"兩個方向來看，
對不擅長程式撰寫的機械工程師來說，
可以把重點放在參數的進階應用，
先忽略掉有關VBA的部份。

首先參數化並不是參數科技(PTC)在ProE(Creo)上獨有的功能，
幾乎所有的3D CAD軟體都是參數化軟體，
Inventor也不例外，
可以從功能表上方的“Fx”字樣的按鈕點選進入參數表，如下圖示：

如果已經建立了一些幾何特徵或者是組裝約束條件，
應該都可以很容易在參數表中看到既有的參數，
通常是以"d0"開始，到"dn"作為參數的名稱，
有關參數表的說明與細節另外參考相關的說明：參數表。

如上例，以"使用者參數"作為上述幾何特徵參數的參考值，
可用來控制幾何特徵或約束關係的關聯性。

例如上圖的"Pitch"、"Space"、"Depth"，只要改變這三個參數的值，
相關的幾何尺寸就會對應發生改變。

但是因為參數表僅能控制在現有元件中的參數，
若要用在讓組合中不同元件之間的參數產生關聯性就會有困難，
早期的作法就是透過外部連結的Excel檔，
但是必須同時開啟Excel檔、改變值、存檔、按更新才能即時進行改變，
使用上就會有些限制跟不方便 ;
高手自然可以利用寫VBA程式，但是就更麻煩了。

這個問題在FY2010的版本導入被Autodesk併購的iLogic功能後獲得改善，
透過簡單的參數指定語法就可以快速連結資料。

所以從FY2010開始，在iLogic程式環境中只要利用簡單的參數指定功能，
就可以讓組合中的不同元件的幾何特徵參數產生關聯性，
對沒有寫程式經驗的機械工程師只要經過簡單的訓練後就可以很快速的上手，

為了讓工程師可以更方便的建立操作表單用來調整與顯示控制，
更進一步的，iLogic從FY2012開始提供了表單的功能，
表單功能的加入，相當大幅度的強化了iLogic的使用方便性，
在表單中修改值按下"Enter'就可以同步看到模型產生改變，
對傳統使用者來說是非常令人驚奇的功能，

接下來以鋁擠型框架的尺寸改變來示範如何進行簡單的參數指定功能：

首先必需要先建立一組基本的鋁擠型框架，
加上上面與側面的四邊蓋板，
總共有五種不同長度的鋁擠型、一個基板、兩種不同寬度的側面蓋板，
共8個零件所組成，如下圖示：

一般作業上每次改變其中1～3個尺寸，就需要進行最多8個零件的修改，
其實這是很浪費時間又容易出錯的重複性工作，
而且技術層次價值很低，
所以如果有一個方法可以快速自動修改相關的零件，就可以提升效率，也減少犯錯的機會。

要進行iLogic前要先定義好需要的關鍵尺寸：長、寬、高，三個尺寸條件，
可以在既有的最上層組合中用英文或中文定義名稱，如下圖示：

使用者參數中定義好"Width"、"Depth"、"Height"三個參數

要呼叫出iLogic功能，請點選"管理" - "iLogic" - "iLogic瀏覽器"，如下圖示：

在原本的模型瀏覽器旁邊或者是下方就會出現"iLogic"瀏覽器，

右下方的程式撰寫區，其實只有很簡單的參數指定跟加減乘除計算
有粉紅色字體是函數，指定組合中某個元件的某個參數
等於右邊組合中的某個參數(藍色字體)
粉紅色字體函數要如何呼叫與指定？
很簡單就是去點上方中間的"元件"，展開瀏覽器就可以找到
建議在該元件中先更名參數或設定好使用者參數會更方便

再來就是點選加入規則，就會出現iLogic的程式撰寫介面，
找到上方中間欄位中需要進行參數指定的元件，點選相關項目就會在上方右側出現可以進行指定的參數，
如果沒有先更名就會出現一堆"d0"、"d1"..."dn"的參數，
這時候就會發現沒有對重要參數更名很不方便，
這個部分在另外有關參數表的文章中再說明使用方法與技巧；

如果確定要使用的參數，就在上方右側的參數上點兩下，
程式就會自動將參數函數放到下方的程式撰寫區，
再來輸入"="，並在上方中間選擇最上層的使用者參數，
在上方右側參數中選擇要指定參數，例如"Width"，並給予適當的數學運算，
點選兩下就會自動帶入下方的程式撰寫區，
接下來就是一直重複動作，將所有的相關參數指定完成跟最上層組合中的使用者參數完成指定關聯。

然後就可以開心地使用參數表進行測試改變參數對多個零件的影響...

如果用參數表的效果不夠好，可以加上使用表單作控制，

方法也很簡單，

這樣就結束了？

錯！！！

在實務應用上需要的更多，例如工程圖面、模型備份、屬性資料與輸出等等，如果做好相關的規劃，可以達到更方便的使用，這個部分需要用到一些VBA，另外再介紹。

2017/12/2

新板特區跟新板藝廊_20171202

除了念書6年住台南、高雄，

當兵兩年在平鎮，

其本上都住在板橋，

可以算得上是老板橋人。

不過因為活動區域偏重在偏板橋南側接近土城這一區，

坦白說雖然板橋不大，還真的對某些區域還是很不熟。

今天在板橋特區的二樓區域亂走亂逛，

板橋特區二樓通廊圖

走到大遠百旁才突然發現有個板橋藝廊，
New Taipei Gallery。
不起眼的入口讓人疑慮是否有開放？可不可以進去？需不需要門票？
旁邊又有一個博仕診所的牌子，更讓人懷疑可以進去參觀嗎？

不過印象中看過有關新北特區二、三樓公共空間的報導，
心想也剛繳完地價稅，應該有資格可以進去吧？！~~（好像沒什麼關係）~~

剛走進去就覺得，只有這樣？