超簡單模擬:轉矩分析

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本文的來源是想要知道,若將原本軸承蓋的材質,由鋁材改成塑膠材質後,強度會衰減多少? 因此筆者利用SolidWorks Simulation,做一個快速的模擬分析,大約耗時5~10分鐘即可產出一份分析報告提交給客戶。

這是本文的題目,原本一個鋁材的軸承蓋,更換為塑膠料後,會有什麼變化?是否能夠支撐原馬達使用的強度? 以下就一步步的示範操作,如何在短時間內跑出模擬結果。

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步驟1:開啟Simulation功能

開啟圖檔後,點選SolidWorks Simulation的圖示。因Simulation為附加功能,在初始設定的系統中非常態掛載,需要額外啟動,才會跳出對應的功能列。跳出後,再點選Simulation功能列,才能開始設定新研究。

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步驟2:新研究設定

在Simulation中,其實有很多種不同的模擬分析種類,未來有機會再個別介紹。而本專案的題目是轉矩分析,且僅是針對材料差異做比較,因此選擇一般模擬中的靜態即可。選擇模擬種類後,點選綠色勾勾,即可進行下一步。

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研究建立完成後,會產出研究列表,其中包括物件名稱(本案為前蓋02)、連接、固定物、外部負載、網格、結果選項,這六項參數。只需要依序設定與執行,即可得到模擬成果。

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步驟3:填入參數

在物件上要做的工作,其實就是幫它選材料。於物件名稱上,點滑鼠右鍵,就會跳出材料選項。SolidWorks本身已內建許多材料庫,可以直接選用。以本案來說,主要是鋁跟塑膠的比較,因此其中一組就設定為1060鋁合金,另一組則為ABS PC的塑膠料。一但材料設定完成後,就會在物件名稱旁邊,多了材料名稱,方便使用者辨識。

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由於本專案僅針對單一物件進行模擬,無連接的物件;因此連接的項目,就不需要操作。在固定物使用滑鼠右鍵,會跳出各種固定的方式。在簡化的設定中,採用固定幾何即可,也就是設定物件的某個面或是點,為固定不動的狀態。

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由於本專案之軸承蓋,會使用螺絲與另一物件固定,有兩面會被限制,包括一平面及圓型外徑。在畫面上直接點選會被固定的接觸面,點選後,3D圖示會變色,並於點選到的固定面上產生向量箭頭。最後再點選綠色勾勾,代表設定完成。

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下一項則是外部負載,也就是受力狀態。同樣使用滑鼠右鍵,點擊後會有不同種的受力型式可選擇。本專案是軸承座,因此點選扭矩。

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此項也是採用直接點選的方式,上方藍色格內,要點選轉矩承受面,也就是軸承擺放的位置。紅色格則是要定意轉矩的中心,因轉矩為旋轉的力量型式。此外,還要给定轉矩大小值。由於筆者的軸承是用於600W的馬達,操作轉速為4500 RPM,經過換算得知轉矩值為1.27Nm。但主要的轉矩會從軸心傳導至工作物,軸承蓋上的受力佔比應在1%以內才合理;故本模擬的轉矩值為0.0127Nm。

若僅是想針對材質作比較,其實轉矩值也不需要如筆者這樣計算,僅需要給個相同數值,即可作材質特性的影響比較。

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網格的部份,同樣用滑鼠右鍵,點選產生網格即可。老實說,網格的設定很關鍵,會直接影響數據的正確性,也影響模擬的時間。因此在簡單物件上,就把網格設定密一點,也不會耗費太多模擬時間。複雜的物件,就要針對主受力區域,設定較密的網格,而遠離受力位置,就盡量鬆散,可簡少運算的時間。

SolidWorks提供了簡化的設定辦法,用拖拉的方式設應,基本上就是拉到細就對了;因對應到Ansys這類更專門的軟體來說,SolidWorks的細,仍然太粗。設定好後,同樣點選綠色勾勾,此時電腦就會開始產生網格。

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步驟4:執行模擬運算

當網格完成後,點選執行此研究,就會開始進行模擬分析。完成後即會產出模擬成果。

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步驟5:成果展示

可挑選不同的物理量來顯示模擬成果,僅需於想看的物理量上使用滑鼠右鍵,點選顯示即可。若對於圖表內的單位、數字表示方式、顏色及範圍想要更改的話,都可於圖表選項中進行修改。

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步驟6:產出報告

SolidWorks 還提供了快速報告產出的功能,在模擬跑完後,點選報告,即可自動產出一份Word格式的報告書。

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重點整理:

本模擬實際耗費的時間,在10分鐘以內;但之所以能如此簡化,是筆者在物理知識理論下,先做了結構與力的刪減,再善用軟體工具,就能短時間產出報告。

模擬只是工具,重要的仍是使用者的知識背景。

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