虛擬原型設計 Virtual prototype

 

本案例價值

• 一套模型多場景應用，節省時間與成本

透過 LS-DYNA 建立完整的虛擬原型，只需一個模型，就能模擬多種使用情境（如按壓機構、彎曲測試、跌落衝擊等）。這取代了以往為不同載荷建立多個模型的做法，大幅簡化流程、提高效率並節省人力與成本。

• 開發早期即精準驗證，降低試作風險

在 CAD 設計階段就能建立虛擬原型，透過模擬提前發現設計缺陷，避免實體試作與反覆修改。這不僅縮短產品開發週期，還減少樣品製作與測試次數，提升整體研發效能。

• 模擬精度高、近乎實測，助攻設計最佳化

LS-DYNA 提供高精度的接觸與材料模擬技術（如自動 all-to-all 接觸與彈簧預載設定），即使是複雜機構或非線性行為也能準確預測，讓設計團隊有信心進行性能優化與創新開發。

 

本案例展示從 CAD 到功能齊全的虛擬原型

 

建立虛擬原型

在實務上，因為技術上的限制，有限元素分析（FEA）通常只針對每種載荷情況中最關鍵的零件或子系統進行模擬，結果就是同一個產品可能會出現好幾個不同的模擬模型。
但如果用 LS-DYNA，我們通常只需要建立一個完整組裝的有限元素模型，也就是所謂的「虛擬原型」，就能一次應付所有載荷情況。這種「一模型搞定所有情況」的策略不但省時，模擬結果也更準確。

接下來我們會以一支筆為例，展示如何用一個 LS-DYNA 虛擬原型來模擬它在不同情況下的表現，包含筆內部所有機構。

 

為什麼要用虛擬原型？

LS-DYNA 在模擬精度方面一直走在前面，很多情況下，它已經能做到幾乎跟實際測試一樣逼真的模擬結果。
雖然數值方法進步了很多，讓我們可以做出非常接近真實物理行為的模擬，但大家可能還是會問：「那這麼麻煩，幹嘛還要用模擬？」
原因其實很簡單，很多客戶之所以選擇建立虛擬原型，是因為有以下幾個很實際的好處：

• 可以提早發現設計上的大問題，在花錢做實體樣品或量產之前就先修正

• 讓設計師更快抓到設計重點，少走冤枉路

• 減少試作樣品的數量

• 縮短產品開發時程

• 提升產品的性能表現，做到最佳化

 

從 CAD 到虛擬原型

建立虛擬原型的第一步，通常是從 CAD 圖開始。接著，我們會把 CAD 模型轉成有限元素模型（FEM），這個步驟是在前處理器裡完成的。

在前處理時，我們可以把一些對結構強度沒什麼影響的小特徵刪掉，這叫做「去特徵化（defeaturing）」。這樣可以簡化模型，也能讓模擬跑得更快更省資源。

在這個案例中，我們使用前處理軟體，把筆的 CAD 模型轉成有限元素網格，並準備好後續要在 LS-DYNA 裡模擬的檔案。Ansys 有一套完整的解決方案，從 CAD 處理到模擬前的所有步驟都能搞定，也能自動去特徵化，並提供很多種網格劃分選項，而且大部分流程都可以自動化，非常省時間，尤其是當要反覆模擬類似產品時，更是顯著有幫助。

 

一個模型，搞定多種載重情境

這支筆的所有零件都包含在有限元素模型裡，也就是說，它是一個完整的虛擬原型，可以拿來跑各種載重情境，不只用在下述應用中，還能應用在更多分析上。

 

載重情境 1：筆的正常使用

第一種情境是模擬筆的按壓機構運作。這裡我們用了 LS-DYNA 的自動 all-to-all contact接觸功能，這個功能很方便，特別擅長處理零件之間滑動、甚至滑過尖銳邊緣的狀況。此外，我們也幫模型設定好機構裡彈簧的預拉力，讓模擬更貼近實際使用情況。

 

載重情境 2：彎曲剛性 － 品質的指標

我們用三點彎曲測試來模擬筆的彎曲剛性。筆越硬挺，握起來就越有質感，也讓人覺得它比較有品質。這個模擬屬於靜態載重情境，我們在模型裡加上了支撐點和沖頭，來還原實際的測試方式。

 

載重情境 3：跌落測試 － 模擬過載或非正常使用狀況

最後，我們用這支筆的模型來模擬一個比較激烈的使用情境：跌落測試。這類測試通常是用來檢查產品結構夠不夠堅固，也是為了確保產品在不小心摔落或被粗暴使用時，還能保持結構完整。模擬時，我們給筆一個初始速度，模擬它撞上堅硬地板的樣子，看看耐不耐摔，會不會壞掉。

 

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艾索科技股份有限公司 AISOL Technology

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資料來源： Ansys LST 原廠 & Dynamore