了解零件設(shè)計在壓力下的表現(xiàn)對于工業(yè)設(shè)計師、工程師或 3D 打印領(lǐng)域的任何人來說至關(guān)重要。事實上，工程仿真軟件已經(jīng)發(fā)展。它變得更容易使用，并超越高度專業(yè)化的應(yīng)用程序進入主流產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)，使更多的人能夠節(jié)省時間、降低成本和創(chuàng)新。

在設(shè)計功能部件時，對一個又一個原型進行破壞性測試會浪費大量的時間、材料和金錢。當然，一些現(xiàn)場測試是必要的，但今天的軟件模擬可以大大減少您重新設(shè)計零部件的時間。當在緊迫的期限內(nèi)工作或什至作為一個副項目時，這是理想的選擇。

Autodesk Fusion 仿真工具可幫助您找到并修復(fù)設(shè)計中的薄弱環(huán)節(jié)（來源：Autodesk）

了解您需要盡快重新設(shè)計并了解設(shè)計背后的機制（或機械問題），可以讓您成為更好的設(shè)計師。在生產(chǎn)之前了解設(shè)計的機械性能的能力非常強大，尤其是在增材制造中，您經(jīng)常會使用以前從未使用過的材料來構(gòu)建之前從未制造過的獨特零件。

讓我們來看看最好的模擬工具和實踐，它們可以幫助您更智能地從想法到最終零件。

仿真軟件

Ansys Discovery 仿真軟件（來源：Ansys）

虛擬壓力測試可以讓您評估當前設(shè)計對其任務(wù)的適用性以及可以改進的地方。了解設(shè)計的機制將使您了解哪些設(shè)計特征可以改變零件中特定區(qū)域的應(yīng)力行為。當您進行制造設(shè)計時，這一點就會發(fā)揮作用，即當您意識到設(shè)計將如何生產(chǎn)（注塑、3D 打印、數(shù)控加工等）或是否可以生產(chǎn)時。

例如，也許您選擇的用于減輕支架重量的填充物實際上使其無法完成其任務(wù)，或者您重新設(shè)計的用于將零件合并成一個復(fù)雜形狀的散熱器組件可能無法按預(yù)期發(fā)揮作用。這些問題可以通過仿真軟件發(fā)現(xiàn)并糾正。

新的軟件工具直接解決模擬中的 3D 打印問題，而其他軟件工具則已擴展到納入增材制造設(shè)計原理。

但是哪些模擬測試可以提供必要的信息呢？下面，我們將介紹最流行且價格實惠的計算機輔助工程軟件工具 Fusion 360（今天稱為 Fusion）中的模擬工具，作為這些程序通常如何工作的示例。

我們將向您展示如何使用 Fusion 應(yīng)用模擬測試。然后，我們將了解仿真分析與其他工業(yè)軟件（例如 Ansys、Creo Simulate、NX 和 Abaqus）的一些差異，以及它們提供的更強大的仿真環(huán)境。我們還將介紹流程模擬軟件，這些產(chǎn)品可以模擬 3D 打印本身的流程，使您能夠在構(gòu)建室中發(fā)生翹曲和扭曲等構(gòu)建故障之前預(yù)測并糾正它們。

但是等等，首先您需要了解一些機械工程概念（如果您還不了解）——最重要的是：有限元分析 (FEA)。

什么是有限元分析？

模擬構(gòu)建和實際構(gòu)建（來源：Ansys Additive Solutions）

FEA 研究零件或組件如何在其環(huán)境中相互作用，無論是發(fā)動機中的熱量和壓力，還是太空中的寒冷和失重。它考慮了零件的機械和材料約束，并將其應(yīng)用于數(shù)字模擬?？傮w目標是了解零件在特定應(yīng)力和應(yīng)變下的表現(xiàn)。

用更專業(yè)的術(shù)語來說，FEA 是使用稱為有限元法(FEM)的數(shù)值數(shù)學(xué)技術(shù)來模擬任何給定的物理現(xiàn)象。不用擔心，該軟件主要會為您進行數(shù)學(xué)計算。

正如我們已經(jīng)提到的，仿真可以節(jié)省構(gòu)建原型和進行實驗的時間，節(jié)省構(gòu)建原型的材料和測試原型的測試臺的資金，以及機械師等外部幫助進行更多迭代。

在增材制造行業(yè)中，使用 FEA 是節(jié)省開發(fā)時間和成本的關(guān)鍵。但還有更多。將 FEA 納入增材制造工作流程的其他好處包括：

更好地了解材料選擇和選項

更好地了解適當?shù)臏y試場景，以準確地對您的零件進行壓力

盡管 FEA 具有巨大的優(yōu)勢，但它并不能消除某些物理測試的必要性。仍然需要進行測試。在計算機上進行模擬 (FEA) 與在現(xiàn)實場景中在測試設(shè)備上進行測試之間存在差異。但模擬通?？梢苑乐鼓M行錯誤的物理測試、走完全錯誤的設(shè)計道路以及使用不合適的材料進行構(gòu)建。

Fusion 360 中的應(yīng)力模擬（來源：Autodesk）

當您繼續(xù)使用 FEA 和 FEA 軟件工具時，您將更好地了解需要多少特定于力的應(yīng)用程序，以及這如何決定分析的成功或失敗。對于該過程的新手，請隨意進行多次模擬，直到結(jié)果有意義為止。

從那里，您將能夠相應(yīng)地修改您的設(shè)計，對其進行原型設(shè)計，然后在現(xiàn)實場景中對其進行測試。將您的分析與準確的壽命測試結(jié)果進行比較，以改進您的物理測試或模擬設(shè)置和參數(shù)，或兩者。

FEA 軟件或帶有 FEA 工具的計算機輔助工程 (CAE)/計算機輔助設(shè)計 (CAD) 軟件通常很復(fù)雜，應(yīng)該在能夠運行模擬而不會陷入困境的硬件上運行。在本文后面，我將介紹可用于對 3D 打印零件運行有限元分析的軟件包及其系統(tǒng)要求，這是值得注意的。

Fusion 360 模擬選項（來源：Autodesk）

設(shè)置模擬的周界

在開始使用 FEA 之前，您還應(yīng)該了解一些有關(guān) FEA 的知識。主要是，雖然軟件模擬了壓力，但你仍然需要告訴它如何模擬壓力以及模擬什么壓力。

FEA/CAE 軟件包中有幾種不同類型的仿真。

靜態(tài)分析研究零件在應(yīng)力和應(yīng)變下的變形。這是最常見的結(jié)構(gòu)分析類型之一。

動態(tài)分析將噪聲、振動和加速度引入其中。

另一方面，多體動力學(xué)包括具有多個運動部件（例如發(fā)動機）的多維、復(fù)雜組件上的應(yīng)力。主要目標是了解系統(tǒng)內(nèi)運行的不是一種力量，而是多種力量，以及這些外部因素如何影響每個部分。

在開始分析設(shè)置時，需要記住一些事項。根據(jù)您的應(yīng)用，可能有一個行業(yè)標準可供您研究。這使您更容易設(shè)置。通常，這些標準包括邊界條件和初始參數(shù)，具體取決于您的應(yīng)用。有時，會使用初始參數(shù)來定義研究，例如施加的力、材料屬性、攻角、壓力、方向等。

另一個重要術(shù)語，安全系數(shù)，是指零件的強度與其最大應(yīng)力之間的比率。確保您使用適當?shù)倪吔鐥l件和假設(shè)正確地設(shè)置您的研究。

運行模擬應(yīng)包括以下步驟：

使用 CAD 軟件對零件或裝配體進行建模

生成網(wǎng)格模型

確定行業(yè)標準或相關(guān)邊界條件（如果適用）

運行模擬

后處理和分析。得出結(jié)論，并根據(jù)需要細化網(wǎng)格或重新設(shè)計零件并重新運行模擬。

請記住，運行 FEA 仿真并不是一個一勞永逸的過程。這是一個迭代過程，涉及測試初始參數(shù)和初始設(shè)計。然后您獲取結(jié)果、分析它們、改進設(shè)計并重新測試。沖洗并重復(fù)，直到結(jié)果符合您在研究開始時概述的成功標準。如果不需要更改設(shè)計，您就有了一個工作設(shè)計，您確信該設(shè)計將提供可接受的性能。

融合模擬

Fusion 360 中的事件模擬可以預(yù)測跌落和撞擊的影響（來源：Autodesk）

現(xiàn)在您已經(jīng)熟悉了 FEA，接下來我們來討論一下 Autodesk 在 Fusion 中提供的功能以及作為可選仿真擴展的功能。

Fusion 的基本訂閱中有模擬工具，包括：

靜態(tài)應(yīng)力

型號頻率

熱分析

熱應(yīng)力

結(jié)構(gòu)屈曲

非線性靜應(yīng)力

事件模擬

形狀優(yōu)化

靜態(tài)應(yīng)力將允許您確定模型或組件的最大應(yīng)力和位移。在處理系統(tǒng)振動時，模態(tài)頻率會發(fā)揮作用。熱分析負責(zé)熱分布及其對零件的影響。屈曲旨在了解零件在壓縮下會發(fā)生什么情況或如何失效。了解非線性應(yīng)力使您能夠在裝配體中使用非線性材料來分析永久變形。事件模擬將時間依賴性引入模型中，這對于實時模擬非常有用。

我的大部分有限元分析經(jīng)驗都來自非線性應(yīng)力分析和事件模擬。討論的重點是形狀優(yōu)化，介紹如何使部件輕量化或剛性化，從而提供生產(chǎn)的成本效率和可持續(xù)性。

我使用 Fusion 的 FEA 軟件為我的一位客戶改進了相機支架的設(shè)計。我經(jīng)營一家產(chǎn)品開發(fā)公司，其任務(wù)是增強客戶的設(shè)計并確保設(shè)計能夠滿足他們的要求。使用 FEA，我能夠確定：

在其環(huán)境中使用的安裝座的最佳設(shè)計是什么

隨著時間的推移，零件會受到什么力

額外的減少和修改以保持安裝的剛性

由于安裝座承受高重力（漂移、加速度突然變化），因此我進行了事件模擬，以了解零件的壽命以及如何進一步完善設(shè)計。鑒于 Autodesk 一直在通過頻繁更新改進其軟件包，我決定使用 Fusion 360 的 FEA 軟件。對于小型初創(chuàng)公司來說，F(xiàn)usion 的價格也相對便宜。

更不用說，Fusion 包括非常方便的增材制造和生成設(shè)計工具包，我喜歡將我的工作流程包含在一個軟件包中，我可以在其中設(shè)計、改進、分析和制造。

當然，如果您想在 Autodesk 生態(tài)系統(tǒng)中進行更加復(fù)雜的模擬，可以使用 Fusion Simulation Extension（1,465 美元/年）。此擴展具有更強大的模擬工具，包括：

非線性靜態(tài)應(yīng)力：大變形、運動、接觸和負載變化行為）

結(jié)構(gòu)屈曲

事件模擬：預(yù)測隨時間變化的力如何影響 3D 設(shè)計性能。

模態(tài)頻率：檢查自然、自由振動對您的影響

注塑成型

電子冷卻：識別因過熱而導(dǎo)致電子元件和零件故障的風(fēng)險

衍生式設(shè)計：探索滿足您的設(shè)計規(guī)范的多種結(jié)果，同時減輕重量并提高性能。

熱模擬：微量熱傳遞和溫度引起的應(yīng)力

注塑模擬對于比較 3D 打印零件與相同注塑零件的性能特別有用。

Autodesk 還提供增材制造仿真工具，作為 Additive Build Extension for Fusion 的一部分，但它不是 FEA 工具，而是允許您復(fù)制現(xiàn)實世界的增材制造工藝（選擇性激光燒結(jié)、粉末床融合等）并預(yù)測變形和常見的打印故障。根據(jù)模擬結(jié)果，F(xiàn)usion 可以自動補償幾何形狀，以在 3D 打印時獲得所需的形狀。該功能的更高級版本可通過 Autodesk 的 Netfabb 軟件獲得。

但是，對于那些不太熟悉該技術(shù)的人來說，Fusion core FEA 是一個很好的入門工具。它使用 Autodesk Nastran 的“精簡”版本，保持軟件的用戶友好性。查看這個方便的教程，介紹如何在 Fusion 中設(shè)置模擬。

當然，還有更強大的模擬程序。我們下面提到的一些產(chǎn)品不僅能夠模擬幾乎任何壓力或事件，而且還可以幫助您更好地重新設(shè)計零件。這些解決方案還在產(chǎn)品生命周期的每個階段（從概念到印刷到質(zhì)量保證）納入了多個級別的模擬，以創(chuàng)建完整的閉環(huán)。

頂級仿真軟件

下面的軟件包允許進行更深入的非線性模擬、多物理場、網(wǎng)格微調(diào)以及使用不同元素的能力。有些不僅可以運行各種模擬場景，還可以提出最佳設(shè)計方向。

您可能會在某些仿真應(yīng)用程序中發(fā)現(xiàn)另一個復(fù)雜的功能，這遠遠超出了我們在此介紹的內(nèi)容，那就是數(shù)字孿生，它是現(xiàn)實世界系統(tǒng)的完整虛擬原型。

1、Ansys Discovery Simulation 2024 R1

也許最深入的 CAE 軟件包之一來自軟件發(fā)行商Ansys。 Ansys Discovery 不像 Fusion 那樣從設(shè)計開始，然后通過仿真進行完善，而是一款仿真驅(qū)動的 3D 設(shè)計工具。為每次分析提供技術(shù)深度是該程序的強項。更不用說每次模擬的細化和定制水平。它用于模擬機械設(shè)計、光學(xué)、流體、外科植入物等。

Ansys 提供多種軟件包，包括 Ansys Mechanical（易于使用的通用多用途工具）、Ansys Fluent（用于高級物理建模）和 Ansys LS-Dyna（用于非線性仿真、多物理場等）。他們還提供免費試用，僅限于它可以解決的一定數(shù)量的節(jié)點，但值得試運行。

Ansys 還包括一個增材套件（增材，如增材制造或 3D 打印），其特點是：

添加劑制備

增材打印

添加劑科學(xué)

2、Dassault Systèmes Simulia 2024

達索系統(tǒng) Simulia 軟件中的 Abaqus 有限元分析（來源：達索系統(tǒng)）

Dassault Systèmes（Solidworks 制造商）的 Simulia 是一款強大的工具，可以在制作物理原型之前加速評估材料和產(chǎn)品的性能、可靠性和安全性的過程。

它提供了廣泛的模擬類型，例如多物理場、計算流體動力學(xué)、標準機械靜態(tài)分析等等。對于汽車行業(yè)的工程師來說，這是一個有吸引力的解決方案，因為他們需要模擬從車輛負載和振動到碰撞和聲結(jié)構(gòu)耦合的許多不同效果。

Abaqus Unified FEA 是 Simulia 的可選產(chǎn)品套件。它具有三個模塊（標準、顯式和多物理場），可以管理涵蓋廣泛工業(yè)應(yīng)用的常規(guī)和復(fù)雜的工程問題。

3、Comsol Multiphysics 6.2

Comsol Multiphysics軟件不適合初學(xué)者，工程師和研究人員可以使用它來模擬跨行業(yè)的真實設(shè)計、設(shè)備和流程。常見用途包括電池設(shè)計和燃料電池、半導(dǎo)體器件、微流體以及具有化學(xué)反應(yīng)特征的部件的產(chǎn)品設(shè)計。

這是另一個多模塊解決方案，旨在涵蓋從流體和熱到化學(xué)和聲音的工程模擬的所有基礎(chǔ)，使您能夠僅選擇所需的模塊。 6.2 版本的更新帶來了更快的計算速度和改善的用戶體驗，最新版本現(xiàn)在使用新的代理模型框架，可以實現(xiàn)更準確的數(shù)字孿生。

幸運的是，對于那些經(jīng)驗較少的人來說，它與一長串 CAD 程序集成，包括 Revit、AutoCAD、Solidworks、Solid Edge 等。例如，Comsol Multiphysics 與“LiveLink for Solid Edge”的集成可以幫助您通過仿真優(yōu)化設(shè)計，同時在仿真過程中為您的設(shè)計提供并發(fā)更新。當兩個程序同時打開并且您正在求解優(yōu)化研究或運行參數(shù)掃描時，雙向更新是自動的。這種集成并不像您在兩個不同的程序之間切換。

4、Siemens Solid Edge & NX 2024

對于大多數(shù)產(chǎn)品設(shè)計師來說，進入強大的西門子軟件世界的切入點是該公司的 CAD 工具Solid Works，它內(nèi)置有限元分析 (FEA)。

Solid Edge Simulation 基于有限元建模和 Simcenter Nastran FEA 技術(shù)，具有完整的運動仿真套件，因此您可以評估和可視化零件在裝配中的相互作用，了解產(chǎn)品在整個操作周期中的性能以及功能在現(xiàn)實世界。

西門子在 60 年代為 NASA 開發(fā)了 Nastran。它提供多學(xué)科結(jié)構(gòu)分析、非線性分析、嵌入式疲勞和振動疲勞分析。 Solid Edge Simulation 中的全新自動化網(wǎng)格生成流程可輕松生成網(wǎng)格，無需參數(shù)即可控制網(wǎng)格。

該公司表示，在最新的更新中，Solid Edge 2024 的改進重點是提升用戶體驗。使用人工智能和云，可視化現(xiàn)在更快，并且可以按需提供附加產(chǎn)品。

Solid Edge 內(nèi)部的 FEA 是一個功能強大的工具，但高級工業(yè)設(shè)計師會選擇西門子 NX 和 Simcenter 3D 中最先進的全功能仿真環(huán)境。

5、Altair Inspire Print3D

當談到 Altair 的仿真解決方案時，很難知道從哪里開始。如果可以進行模擬，Altair 就有相應(yīng)的工具。幾乎所有工程師、設(shè)計師和研究人員的行業(yè)都被 Altair 覆蓋。

因此，在這里，我們只關(guān)注 3D 打印和 DfAM 功能。

在“工業(yè)設(shè)計”類別下，Altair 提供了用于設(shè)計、可視化和拓撲優(yōu)化的工具，而在“可制造性”類別下，您可以找到他們所有的仿真工具。有一些模塊可以評估產(chǎn)品可行性，優(yōu)化制造工藝，并對許多傳統(tǒng)、減材和增材制造工藝進行虛擬試用，以便進行比較。

Altair 的產(chǎn)品可制造性應(yīng)用程序?qū)槎鄠€行業(yè)量身定制，包括汽車、航空航天、電子、制藥和重工業(yè)。事實上，大約有兩打模擬程序，其中包括 Inspire Print3D，它專門用于使用選擇性激光熔化 (SLM) 創(chuàng)建結(jié)構(gòu)高效的 3D 打印零件。

編譯整理：ALL3DP