A09 新世代CAE前处理平台整合发展趋势

一、前言

近年来已有许多人，在产品开发的过程中，藉由CAE计算机辅助工程分析软件，进行潜在问题的评估，进而大幅缩短产品开发周期，达到实时上市的需求。然而在CAE分析中，分析用网格质量的优劣将严重影响CAE分析结果的可信度，且建构网格的时间，往往占掉研究人员大部分的时间，因此高效能网格产生器对于CAE分析而言，即为重要的课题。本文将利用Moldex3D-Mesh网格产生器作为泛用型CAE前处理器，将产生之网格应用于塑料加工、结构应力分析、动力问题、静力问题、线性分析及非线性分析等不同的CAE领域上。

二、 Moldex3D-Mesh于塑料加工上之应用

塑料加工的领域非常广泛，常见的塑料加工制程包含有射出成型、押出成型、热塑成型、吹模成型等。本章将采用Moldex3D-Mesh网格产生器作为CAE前处理工具，并将产生的网格应用于不同的CAE塑料加工领域上。

1. 射出成型：射出成型普遍应用在精密尺寸塑料件成型的制程上，近年来已有许多人藉由CAE计算机辅助工程软件之协助，在模具开发前就预测出可能产生的问题，并提供解决问题的方向，大大地改善此制程开发之能力及效率。使用者可以透过Moldex3D-Mesh产生网格并设定射出成型制程所需的边界条件，并藉由科盛科技所研发出的专业模流分析软件─Moldex3D进行充填、保压、冷却、收缩翘曲等分析。图一为利用Moldex3D-Mesh产生网格后之齿轮模型。图二为利用Moldex3D进行射出成型分析后的结果。

2. 热塑成型：热塑成型模拟分析主要应用来协助业者于相关产品及制程之开发中整合材料特性、皮材之初始厚度分布及温度分布、模具及其相关可移动机件作动之效应、以及其他相关之操作条件进行整体系统之仿真与分析，以获取产品之最后厚度分布及其他相关特性。基本上，产品之机械特性如强度等与产品厚度成正比；然而，考虑实用性能需求，一般须达最低限度及均匀性。本文透过Moldex3D-Mesh对图三之杯座几何外型建构分析所需之网格，并汇入热塑成型分析软件─T-SIM，预测热塑成型后，塑件的厚度分布，其结果如图四所示。

3. 吹塑成型：吹模成型模拟分析主要应用来协助业者于相关产品及制程之开发中整合材料特性、瓶胚之初始厚度分布及温度分布、模具及其相关拉杆(或推杆，Plug)作动之效应、以及其他相关之操作条件进行整体系统之仿真与分析，以获取产品之最后厚度分布及其他相关特性。基本上，产品之机械特性如强度等与产品厚度成正比；然而，考虑实用性能需求，一般须达最低限度及均匀性。B-SIM即是一套吹塑成型的CAE软件，本文使用Moldex3D-Mesh对宝特瓶几何外型产生分析所需的网格，如图五所示。汇出网格档至B-SIM进行分析，预测吹塑成型后塑件的厚度分布，分析结果如图六所示。

三、Moldex3D-Mesh于结构分析之应用

结构分析包含动力问题、静力问题、线性分析及非线性分析等领域。本章将采用Moldex3D-Mesh作为前处理工具，将产生之网格利用ABAQUS及ANSYS进行机构分析、冲击分析及模态分析。

1. 机构分析：构件间的相对运动关系，可以透过机构模拟分析而求得，根据此结果，可以帮助产品开发人员进行预测各种机构的组成及其对运动的影响。透过Moldex3D-Mesh对齿轮模型产生如图七之网格，并汇入有限元素分析软件─ABAQUS，求得齿轮间相对运动关系，图八为所分析之相对运动关系。

2. 冲击分析：一般工业上常透过冲击测试来评估材料的行为，如挫曲模态或应变─应力曲线等。以汽车工业而言，若能以CAE的方式正确的仿真碰撞时结构的变形以及能量的耗损，将可以降低昂贵的实验费用，降低研发成本。比如说防撞杆的冲击测试或是实车的撞击模拟等。此外，3C产业也时常透过撞击测试得到最佳的结构设计，或是包装内的泡棉是否足够消除物品载运过程中意外的碰撞能量。本章以Taylor bar冲击试验为例子，由Moldex3D-Mesh产生1/4 Taylor bar网格简化模型之，如图九所示。汇入ABAQUS进行冲击试验分析，图十为所模拟之冲击过程。

3. 模态分析：模态分析在实务上有很多应用，依领域的不同，我们会选择避掉或放大结构振动频率。比如说在CD ROM 的结构上进行模态分析时，我们会避免共振的发生;然而设计如蓝宝石的切割刀时，我们会希望因为共振现象而使切割刀变的更锐利。本章对一风扇进行模态分析，图十一为Moldex3D-Mesh产生之风扇网格，将其汇入ANSYS进行模态分析，图十二由左至右、由上而下分别为第1~6个振动模态。

四、Moldex3D-Mesh于IC封装之应用

台湾为全球IC封装产业龙头，因此针对IC封装模具设计也发展了许多优异的技术，近年来已可成功的运用CAE分析预测IC封装封胶制程中常见的金线偏移(Wire Sweep)、晶座位移(Paddle Shift)、热应力(Thermal stress)等问题。InPack即专为IC封装产品各项分析(包含模流、应力及热传分析)之前、后处理所设计之软件，可用来仿真分析热固性模封材在IC封装封胶制程的填模及硬化的过程。并计算热固性塑料之硬化速率，并计算封胶充填和模内硬化分析，提供缝合线与包封位置、转化率分布、速度向量分布、转移压力等重要信息。Moldex3D-Mesh可做为InPack的前处理器，利用Moldex3D-Mesh建构流道及IC封装区域网格，网格产生完毕之后可直接输出至InPack进行显示及分析。

本文应用Moldex3D-Mesh产生如图十三之网格，并利用Moldex3D进行热固性材料IC封装之分析，分析结果如图十四所示。

五、结论

本文成功应用Moldex3D-Mesh网格产生器作为不同CAE Solver的前处理器，将所产生之网格，输出成多种CAE软件的文件格式，并汇入不同领域的CAE软件进行仿真分析，分别对塑料加工制程所包含的射出成型、热塑成型、吹模成型及IC封装产业等不同领域的塑料加工制程进行CAE分析，并将Moldex3D-Mesh产生之网格，输出成ABAQUS及ANSYS文件格式，分别进行齿轮转动机构分析、风扇模态分析及Taylor bar冲击试验分析等数值模拟。根据Moldex3D-Mesh所产生的网格，可以应用于冲击分析(图九、十)，预测材料破坏、几何变形及材料结构强度；且可应用于计算模态分析(图十一、十二)，根据此模态分析数据，可以使我们在设计结构的时候，避开结构自然震动频率，避免达到共振，导致结构损坏。根据上述应用，Moldex3D-Mesh网格产生器可广泛的应用于不同领域的CAE分析，当作泛用型的CAE前处理器。

六、参考文献1. J.C. Chien and C.T. Huang, L. Kenny, D.C. Hsu, “Moldex3D-Mesh网格产生器在CAE塑料加工领域之应用”, CAE Molding Conference 2005.

2. C.T. Huang, D.C. Hsu, V. Yang, “最新计算机辅助工程软件于热塑成型(Thermoforming)及吹模成型(Blow molding)分析技术应用成果”, CAE Molding Conference 2005.