Reference : 劉晉奇. CAE軟體之評估與選購. 機械技術雜誌, No.224, 156-160, 2003.
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CAE軟體之評估與選購
劉晉奇
本文之目的，是針對想要導入CAE (Computer-aided engineering，電腦輔助工程分析)的機械、電子、電腦相關產品等製造業公司，提供一些關於評估選購CAE軟體的建議。由於CAE與3D CAD的性質大不相同，因此在採購CAE軟體時，必須更加慎重，才能選擇到適合自己公司的軟體。
CAE: 以電腦來分析實際問題
CAE是Computer-Aided Engineering之縮寫，中文普遍稱為「電腦輔助工程」或「電腦輔助工程分析」。簡單來說，只要是應用電腦來分析實際物理問題，均可將其稱為CAE。CAE之分析類型很多，包括應力分析、熱傳分析、流體分析、機構運動分析、射出模具塑料流動分析、電磁分析等，大部份的計算方式是使用數值近似方法(numerical method)，其特性是可以解決許多數學解析法求不出來的問題，因此其應用面較廣，也較能被工業界接受。
CAE的計算方法原來是學術理論，近年來拜電腦計算速度之賜，商業化之CAE軟體已十分成熟且易學好用，而CAD/CAM/CAE整合系統亦已成為工業界產品研發的利器[1,2]。圖1為CAE在機械產品研發上所扮演的角色，由於CAE能在產品原型機(prototype)之製作與實測前，先於電腦內模擬且確認設計是否可行，因此可以避開許多設計錯誤。此外為了節省時間，CAE分析可藉由圖2之CAD/CAE整合來完成。經由CAE之模擬分析，可以在產品之生產前後階段，抓出其物理行為與產品性能，藉由這些資料不僅可以設計出可靠的產品，更可縮短設計時間，節省成本。
以機械零件之力學分析為例，其CAE之主流數值方法為有限元素法(finite element method, FEM)，亦可稱為有限元素分析(finite element analysis, FEA)，它的基本概念是把一個連續性系統轉為離散化，切割成元素與節點，再根據力學基本理論方程式去求解，當FEM寫成電腦程式後，應用電腦即可求出各節點的位移與應力等物理量。舉例來說，圖3(a)之機械零件可以應用CAE軟體ANSYS，將其分割成如圖3(b)之許多元素與節點，且加入拘束與受力之邊界條件(如圖3(c)所示)，經由電腦計算求得答案後，可秀出圖3(d)~(e)之變形與應力場。經由這些FEM分析資訊，工程師可以判斷該零件之剛性和強度是否足夠，或安全係數是否恰當等。
CAE軟體的選購
通常CAE軟體的價位比3D CAD高，一套軟體的價格由新台幣數十萬到上百萬，是一項成本很高的軟體設備，因此錢必須花在刀口上，不容許軟體選購發生錯誤。對於一家正計畫建立CAE部門的公司來說，選購CAE軟體是一項極為慎重的事，尤其負責評估及採購軟體的當事人(可能是主管或工程師)，更是負了成敗之責。雖然CAE軟體價格高，不過若想到日後軟體發揮了功用，解決了研發問題且節省成本，便會認為CAE是非常有價值的投資。
目前台灣的CAE軟體廠牌不少，除了少部份軟體是由國人自行研發外，大部份均是歐美開發的軟體產品。CAE軟體公司之間的競爭十分激烈，各公司時常舉辦產品說明會、論文會議、訓練課程等活動，目的便是希望自己公司的CAE軟體，能在學界和工業界打開知名度，除了創造公司業績之外，同時也能使台灣的CAE更加普遍，提升台灣研發和CAE的國際競爭力。
面對著種類繁多的CAE軟體，公司負責評估軟體的當事人，有時實在難以下決定要買那個軟體。CAE與3D CAD的性質大不相同，因此有意導入CAE的製造業公司，其採購CAE軟體必須更加慎重，唯有選擇適合自己公司的CAE軟體，才能提升產品研發能力。本文提出一些關於評估選購CAE軟體的建議，希望對讀者有所幫助，若讀者想要快速得到相關的CAE軟體資訊，可參考許多以CAE為主題的文章與網站[3~5]。
我的公司需要什麼 ?
在評估購買CAE軟體之前，首先必須了解目前CAE軟體有那些類型，自己公司產品之研發需要何種CAE。依照許多文獻書籍和各類軟體功能，茲將CAE類型分為以下種類[3]。
(1) 固體力學(Solid mechanics)。分析類型包括: 線彈性與非線性應力分析、靜態與暫態動態應力分析、接觸問題分析、挫屈分析、振動分析、疲勞分析、破壞力學、最佳化分析等等。應用實例如各類產品之強度分析與變形分析、組合件之接觸應力分析、工具機振動分析、電子產品掉落衝擊分析等。
(2) 固體熱傳學(Heat transfer in solid)。分析類型包括: 熱傳導、熱對流、穩態與暫態熱傳分析等。應用實例如IC封裝熱傳分析、銲接熱傳分析和模具散熱分析。
(3) 流體力學與熱傳學(Fluid mechanics and heat transfer in fluid)，這類CAE分析在學術界常稱為計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics, CFD)。分析類型包括: 流速分析、壓力分析、散熱分析等。應用實例如飛機外表流場分析、流體機械流場分析、空調分析、電子產品(如筆記型電腦)散熱分析、IC散熱片分析等。
(4) 電磁學(Electromagnetics)。分析類型包括: 靜電場分析、靜磁場分析、電流分析、電路分析、低頻電磁場分析、高頻電磁場分析等。應用實例如電器結構之電位與電場分析、電流密度分析、磁屏蔽分析、馬達磁力分析、電磁相容性(EMC/EMI)分析、電磁波分析、天線效能分析等。
(5) 耦合場分析(Coupled-field analysis)。分析類型包括: 應力場與熱傳耦合、應力場與靜電場耦合、結構應力與電磁熱耦合、流場與固體力學耦合、壓電材料分析等。應用實例如銲接熱變形分析、壓電致動器分析、微機電系統(MEMS)分析等。
(6) 塑膠射出成型流動分析(Analysis of plastic injection molding)。分析類型包括: 液態塑料在模具內的流動、注料口和融合線位置、模具內塑膠之壓力和溫度、模具冷卻系統分析、成品熱翹曲量等。
(7) 機構運動與動力學 (Mechanism theory and dynamics)。應用上如齒輪運動、凸輪運動、引擎汽缸運動、自動化機器機構運動分析、機器手臂分析、汽車運動與動力學、人體運動分析等等。
(8) 其他類型CAE。例如聲場或噪音模擬、地下水流動模擬、鑄造模擬、IC製程模擬等。
舉例來說，若公司產品為3C電子產品(如個人電腦、印表機、電視、吸塵器、手機等)，可將產品之研發設計，細分成如表1之項目，再各自評估是否需要CAE。對於表1之某些項目，若公司本身已掌握充份的技術，為了節省金錢，該項便可以不導入CAE。
收集資訊
若已充份了解本身公司的CAE需求，接著便可針對特定的CAE類型，開始收集各廠牌CAE軟體的產品資訊。首先必須知道該類CAE軟體有那些廠牌，而台灣有那些公司在銷售與提供服務。關於有那些軟體廠牌，讀者可參閱相關文獻[3,4]，取得更多的CAE廠牌資訊。此外，許多雜誌上的軟體廣告也是資訊來源，例如本刊(機械技術雜誌)或其他國外雜誌(如雜誌 : Machine Design和Mechanical Engineering)的廣告。除了以上方法，也可以透過搜尋引擎網站去尋找各軟體公司網頁，或向朋友和專業人士打聽資訊。
談到產品，首先想到的便是「型錄」，各廠牌CAE軟體公司均會提供產品型錄，您可以打電話到軟體公司索取，以作為選購的參考。依照人性的特點，人一定把最好的一面呈現出來，而產品型錄亦是如此，型錄上必定大大宣傳該軟體的優點與強處，對於較弱的功能則不做介紹，因此，您在評估軟體時一定要親身體會它的功能，以了解軟體功能是否適合本身公司產品的CAE分析，以免誤解又買錯。此時可進一步與各家軟體公司連絡，安排時間請軟體公司技術人員與您面對面說明軟體功能，以詳細深入了解。
判斷軟體的適合性
當您掌握到相關的CAE軟體公司與其產品後，接著必須判斷軟體之適用性，確定該軟體是否可以分析自身公司的產品。下列方法可以做為判斷的依據 :
(1) 可請軟體公司以該CAE軟體，針對本身公司產品做一簡要之CAE分析測試，或者雙方合作一計畫案，做詳細之CAE分析。這種方式可以直接確認軟體是否有能力分析本身公司產品。
(2) 確認是否有國內外成功之CAE案例，亦請軟體公司提供一些可公開的CAE案例，以增加自己對該CAE軟體的信心。
(3) 詢問軟體公司是否可提供短期免費之CAE軟體試用。
(4) 收集相關論文或研究報告，以確認該CAE軟體的分析能力。由於CAE軟體廣泛應用於學界與一些研究單位(如工研院)，因此許多論文或報告均以CAE軟體作為分析工具。從這些資料可以看出該CAE軟體的能力，論文或報告比軟體公司提供的資料更具說服力。
(5) 向CAE專家(如各大學、工研院、高速電腦中心、金屬中心等單位)詢問適合之CAE軟體。
關於上述的第(4)點，讀者可以針對下列之會議論文集和期刊雜誌等資料，做詳細的搜尋，不過必須花許多時間收集，因為這些資料均存於各大學圖書館等單位內，並非逛逛書局就可找得到。一般製造業的工程師或設計主管均十分忙錄，或許只能利用下班時間或假日，才能到圖書館找資料。
(1) 國內外會議論文集:
(a) 中國機械工程學術研討會論文集。
(b) 全國力學會議論文集。
(c) 美國ASME相關會議論文集。
(d) 美國IEEE相關會議論文集。
(e) 其他。
(2) 中英文期刊與雜誌:
(a) 中國機械工程學刊。
(b) 力學。
(c) 技術學刊。
(d) 機械技術雜誌。
(e) 機械工業。
(f) 機械工程。
(g) 銲接與切割。
(h) CADesigner雜誌。
(i) Computers and Structures。
(j) International Journal of Mechanical Sciences。
(k) Engineering Failure Analysis。
(l) AIAA Journal。
(m) ASME系列期刊。
(n) IEEE系列期刊。
(o) 其他。
(3) 各大學工程相關科系之碩博士論文。
(4) 國科會等單位之技術報告。
(5) 專業之CAE中英文書籍。
關於收集論文或研究報告之確認方式，是適用於專業高階CAE軟體的評估，但有時未必適用於一些較初級的CAE軟體，因為許多市售的初級CAE軟體，其功能是定位於好學易用且能快速獲得答案，並不含複雜的分析能力與程序，例如只能做單純的彈性應力分析。因此，這類初級CAE軟體不常被研究論文所採用，但初級CAE軟體仍有其應用價值與定位。
總結
除了軟體功能之外，該軟體公司CAE工程師的技術與支援能力，也是評估CAE軟體的一項重要考量。當決定選擇何種CAE軟體後，便可購買且為公司導入CAE。評估與選購軟體只是個開始，重點在於後面的CAE應用，許多軟體商均會提供CAE售後服務與教育訓練，公司在導入CAE的初期，必須充份運用這些售後服務，以期在最短的時間內讓工程師上手，培養CAE種子教官，進而建立CAE能力。有關製造業導入CAE的一些觀點，讀者可參閱相關文獻[2,3,5]。
參考文獻
[1] K. Lee, Principles of CAD/CAM/CAE Systems. USA: Addison-Wesley, 1999.
[2] 劉晉奇, 製造業產品研發如何導入CAE. CADesigner雜誌 , 2001年11月.
[3] 劉晉奇, 如何進入CAE的世界. CADesigner雜誌 , 2001年9月.
[4] http://homepage.usask.ca/~ijm451/finite/fe_resources/ (Internet Finite Element Resources) .
[5] 林均燁等, 電腦輔助研發簡介. 本文收錄於「I-DEAS V9模型設計」一書之第0章, 全威圖書, 2002年.
(本文作者曾任職家電設計工程師與CAE軟體工程師。)
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