電腦輔助 工程軟體 -...
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■方俊
電腦輔助工程軟體
專題報導 航空發展百年紀念
PC硬體的繪圖功能,
近幾年來拜龐大的
遊戲軟體市場之賜,
發展可謂一日千里,
尤其成本更是大幅滑落,
致使高階電腦輔助軟體
紛紛轉移至PC平台,
形成市場群雄爭霸的局面。
■方俊
雛形設計的利器
電腦輔助工程軟體
時勢造英雄
近年來,由於國際的競爭及台灣土地、人事成本的高漲,造成傳統產業競爭力逐
漸衰退。為尋求轉型契機以創造另一波榮景,廠商除將人力密集的生產線遷往其他開
發中國家,以求降低成本外,並積極學習歐美先進國家產業轉型的經驗,發展智能設
計為主導的精緻化成品。至於競爭力較好的高科技產業,如電子、資訊及航太產業,
為能在產品的精確度、可靠度及開發時效上滿足客戶的需求,以提供最好的服務,每
家公司均不吝投入相當多的資金,設置研究發展中心或與相關學術機構合作。
在適應環境的轉型研發過程中,不論是傳統產業或高科技產業,均大量引進了電
腦輔助工具,如電腦輔助設計、製造、工程分析與工業設計(CAD / CAM / CAE /CAID)
及產品資料管理(PDM)等。
在軟體市場如此多元的需求下,相關電腦輔助軟體也如雨後春筍般地發展起來,
若依產業特性來區分,這些電腦輔助設計、製造軟體可概分為:AutoCAD、Inventor、
Unigraphics(機械製造業及鞋業)、I-DEAS(鞋業及汽車業)、CATIA(航太業及汽車
業)、SolidWorks、Pro/Engineer(電子業及資訊業)等。至於電腦輔助工程分析軟體則
有:ANSYS(一般用途及電子封裝業)及PATRAN/
NASTRAN(航太及土木業)。
其中Pro / Engineer(Pro/E)及CATIA
二種軟體目前在台灣擁有廣大的市
場,此二軟體數年前即雀屏中
選,成為國科會向校園及學
術單位大力推廣的軟體。
電腦輔助軟體發展
之初,以個人電腦(PC)
為平台的AutoCAD可
謂獨占鰲頭。它的成
功除軟體本身強大的
二維繪圖功能外,並
擁有多樣化的使用者
親和介面(user-friendly
interface),如圖像選單
(icon menu)、下拉式選單
(pull-down menu)及對話式
選單(dialog menu)等。
利用Pro/E CAD
模組軟體繪製的
葉輪設計。
逢甲大學航空系方俊副教授提供/參考林清安教授著作繪製
38 科學發展 2004年4月,376期
圖、板金、開模、數值控制工具機製造(可達
到五軸加工)、基本模流分析(外掛模組:
Plastic Advisor)、基本工程分析(外掛模組:
Pro / Mechanica)等一應俱全。若使用者需要更
精確的工程分析資料時,可直接將相關幾何實
體轉換成ANSYS規格的檔案,
運用上極為便利。
然而初期的Pro /E
使用者介面設計並不方
便,需要鍵入大量的指
令,至二○○一版仍以下拉
式選單為其主幹,包含部分的對
話式選單,只在草圖模組全面改為圖像
選單,屬於較難學習的軟體,二○○
三年最新的Wildfire版對此
一缺點已有所改善。
自動化的模具設
計軟體──UG
UG是美國航太
產業設計電腦化的先
鋒,在法國達梭公司
(Dassault)為設計幻象
戰機(Mirage)而開
發出CATIA軟體,並先後為
波音(Boeing)及空中巴士(Air
Bus)等國際航太製造公司採用後,UG漸
漸地退出航太市場,但在台灣及大陸地區的精
密模具業卻另有一片天。
相較於前述的Pro /E,UG強調的是智能引
導模式(knowledge based engineering),主畫面
也大量採用看似親和的圖像選單,並採用相當
獨特的混合形式實體建模功能,亦即在建構實
體時,除可直接叫用立方體、圓柱體等預設的
基本三維實體外,並可依需求採用點座標輸入
或草圖繪製輸入方式建構不規則形狀的實體。
此外,AutoCAD更提供了以AutoLISP及
ADSC程式語言為主的開放架構,使用者可量身
訂做適合自己公司產品的附屬指令,如此更鼓勵
了一般軟體業者投入開發出繁多的third party軟
體。所以AutoCAD持續風靡至今,使那些以工
作站為平台的高階電腦輔助軟體遠落於其後。
其間具有CAD / CAM /CAE整合能力的三
維高階軟體,如Pro /E及Unigraphics
(UG),亦分別在新竹科學園區
及台中
的中小企業發跡。
參數化的Pro/E軟體
Pro / E原流行於美國加州矽谷的高
科技電子產業,隨著台灣竹科的興起,給
予它另一個揮灑的舞台。Pro/ E強調的是參數化
的設計及資料管理,各相關檔案對同一特徵的更
新會自動完成,增加了不少的方便性,缺點是一
些未經深思熟慮的修改,常會造成特徵失敗的困
擾。
與其他高階軟體一樣,Pro / E功能相當完
整,從零組件設計、組裝、基本機構模擬、工程
採用CATIA CAD
模組繪製的自行
車設計。
逢甲大學航空系陳祁侑同學提供/參考實車G
IAN
TG
S-518
39科學發展 2004年4月,376期
析的精確及方便性。另外,I-DEAS提供了一個自
由度相當高的網點產生模組,可讓使用者單獨利
用網點產生模組,做為其他工程分析軟體的前處
理軟體。然以高階軟體而言,I-DEAS的模組並不
完備(只有CAD /CAM /CAE),最近又與UG合
併,因為其功能與UG重疊性非常高,所以定位
較不明確。
另一個高階電腦輔助軟體CATIA,由工作站
的V4版本轉植於PC平台的V5版本,使用者介面
設計得極為友善,操作自由度也非常大,讓學習
者有事半功倍之感。此軟體經波音及空中巴士採
用,並在IBM大力的行銷下,迅速在台灣工業界
占領了一席之地。
CATIA的V4版便有極高的評價,包括的功
能極為廣泛,除具備其他軟體所有的功能外,更
增加了人因工程設計分析模組(ergonomics
design & analysis)、設備與系統模組(equipment
專題報導
航空發展百年紀念
點座標輸入法類似於AutoCAD,草圖繪製輸入
法則類似於 Pro /E,然各有局限,使用起來都
不很方便,操作者必須有很強的三維座標觀念
才能得心應手。
不過UG倒是提供了非常自動化的模具精靈
(智能引導模式),協助開模作業,使人印象深
刻,或許這是許多模具業者採用此軟體的原
因。
紛紛轉攻PC平台
PC硬體的繪圖功能,近幾年來拜龐大的遊
戲軟體市場之賜,發展可謂一日千里,尤其成
本更是大幅滑落,致使高階電腦輔助軟體,如
I-DEAS及CATIA等紛紛轉移至PC平台,形成市
場群雄爭霸的局面。
以I-DEAS來說,是國科會最早以補助採購
方式在校園中推廣的電腦輔助軟體,低廉的價
錢著實吸引住校園
師生的目光。為求
時效,初期PC版的
I-DEAS軟體,是以
Exceed軟體模擬工
作站環境方式直接
轉植,因此操作畫
面幾與工作站相
同,卻也造成繪圖
環境不如Windows
方便與強大之憾,
經完全改版以配合
Windows的繪圖環
境後得以改善。
較值得一提的
是 I - D E A S曾與
ADAM高階機構分
析軟體整合,大幅
增加了模擬機構分
利用ANSYS軟體
繪製的多晶片模
組電子構裝熱傳
分析圖。
逢甲大學航空系黃煜哲同學提供
& systems)及智能模組(knowledgeware),讓
人看得眼花撩亂。尤其是強大的曲面設計功
能,讓強調流線外型設計的漢翔航空、裕隆及
中華汽車公司等飛機及汽、機車業者紛紛採
納。但CATIA剛由工作站轉植於個人電腦時,
品質極不穩定,且欠缺許多功能,所幸這些缺
失現在已完全改正。
CATIA較為人所詬病的是價位過高,動輒
上百萬元的軟體成本,非一般中小企業所能負
擔。所以法國達梭公司併購了年輕的SolidWorks
後,便將開發CATAI的經驗及技術應用其中。
SolidWorks的工作介面設計極為精緻,使用者親
善度堪稱一流,擁有CAD/CAM/CAE/PDM等功
能,並可將AutoCAD等三視圖轉換成三維立體
實體,更重要的是相對具競爭力的價格。因此
在先占先贏的軟體市場習性下,SolidWorks仍能
以後起之秀的態勢抓住使用者的目光。
在AutoCAD坐失高階電腦輔助軟體市場之
後,終於推出了所謂不受參數限制的「適應性
架構」Inventor。這套Inventor無疑是三維電腦輔
助設計及製造軟體的新生兒,與前述各軟體擁
有類似的使用者介面,但缺乏全系列的支援軟
體,因此還有很大的努力空間。
電腦輔助工程分析軟體
至於電腦輔助工程分析軟體的盛行,主要
歸功於數值模擬方法的精進,如有限元素法
(finite element method)、有限差分法(finite dif-
ference method)及有限體積法(finite volume
method)。針對固態力學為主的市場,經十餘年
的爭戰,最具代表的軟體為ANSYS及NAS-
TRAN,兩者的計算能力在伯仲之間。
ANSYS因具有類似AutoCAD的開放架構,
讓使用者可自行撰寫程式,提升其方便性。另
40 科學發展 2004年4月,376期
利用Pro/E建立的
健身踏步機幾何
模型。
設計人:台灣科大李岳樺/圖片提供:台灣科技大學機械系林清安教授
41科學發展 2004年4月,376期
專題報導
航空發展百年紀念
外,ANSYS具有熱傳
導分析功能,所以特
別獲電子封裝等公司
的青睞。它亦成功地
以低價策略在校園中
推廣,頗受學術單位
的好評。
至於NASTRAN,
則是早年受美國國家
航 空 暨 太 空 總 署
(NASA)支持而開發
的產品,現在並搭配
較方便的前處理軟體
PATRAN而得以改頭換
面,除航太業為其當
然愛用者外,土木建
築業亦多採用它做為結構的動、靜態設計與分
析的參考。近來NASTRAN又納入了ADAM及
DYTRAN等動態分析軟體,使其如虎添翼。
上述兩者承襲電腦輔助工程分析軟體一貫
的缺點,即前處理介面不太友善,所以通常需
利用CATIA或 Pro/E等CAD模組協助模型的建
構,再轉檔以進行數值分析工作,所以與前處
理軟體的溝通變得至為重要。CATIA本身功能
完整(包括基本的CAE功能),因此與其他電腦
輔助工程分析軟體的溝通上,只提供了STL及
IGES等檔案規格,似乎不如Pro /E的選擇性
多,相容性有待加強。
產業界與學術界的橋梁
在國科會深具前瞻性的推動下,近十餘年
來校園電腦輔助軟體的提倡,成果相當豐碩。
期間培育出許多熟悉電腦輔助工程技術的學
生,他們步出校園後便可直接上線工作,相對
縮減了產業界員工職前訓練的成本,同時,也
引導學術界掌握到理論與實務串聯的工具,開
創了與產業界共同合作研發新產品的契機,進
而使電腦輔助軟體成為產業界與學術界溝
通的橋梁。
相信台灣的產業
界,在積極運用電
腦輔助科技投入研
究發展下,必
能突破世
界經濟不
景 氣 的
困境,達到放眼
全球,根
留台灣的
理想。□
方俊逢甲大學航空工程學系
利用Pro/E建立
的堆高機幾何
模型。
設計人:台灣科大李岳樺/圖片提供:台灣科技大學機械系林清安教授
逢甲大學航空系鄭仙志副教授提供
利 用 M S C
PATRAN/NAS-
TRAN軟體繪製
的軸流式風扇
有限元素分析
模型。