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How FEA Helps Simulate Engine Stress on a Computer

上面部落格描述是CP活塞如何使用有限元素分析(FINITE ELEMENT ANALYSIS 簡稱FEA)電腦輔助軟體來進行活塞設計

有限元素分析(FINITE ELEMENT ANALYSIS) 以下會以 FEA來表示

OK，若英文艱澀難懂的話，就由我這邊道來

一般而言，若要設計一個好的活塞，在還沒有電腦輔助分析軟體，需要靠的是人們經驗、學校的教科書理論(熱力、材料力學、靜(動)力學，流體力學等)與實驗來決定

以前會用紙張將所需要活塞的外觀與尺寸繪製圖面出來，並運用該尺寸用等相關訊息利用學校教科書理論來計算出各種應力(熱力與靜力學)，而這些計算都非常複雜，有時候一個問題不能以一個方程式來解釋

必須要好幾個方程式來探討。所以目前科學家都會將問題去簡化至單一問題來探討。就如我所寫的部落格也是一樣，畢竟一個事件發生絕對不可能是單一事件可以解釋，若用多方面解釋的話就會產生很複雜的問題延伸

到時候就無法判斷問題的原因。或者是討論。

所以因為計算過於複雜有時候光是一個活塞就會承受熱、應力、衝擊、內應力等等。若要計算也是單一問題去探討。

當然FEA 也是電腦，就目前電腦的運算能力還不足以運算複雜的問題討論，也是必須要單一問題去分析，只是唯一好處就是可以將元素細分化(Element Mesh -中文是我翻譯的)，這樣可以看到各部分的變化圖。

FEA 要開始分析活塞時會有以下四個步驟

1.材料 (MATERIAL)

需要選擇你要的活塞所使用的材料種類，這些材料會有相關材料力學的數據如 楊式模(Young’s Modulus)  ，拉伸強度 (Tensile strength) 等相關的材料力學，這些都是經由實驗得出來的數據如下所示；

資料來源；https://pdfs.semanticscholar.org/8d0b/595f4e98ea7c4f5cbeca87e467c02d6dc4f0.pdf

選擇所要用的材料後接下來就是要設計活塞外型

2.活塞模型 (Model of piston)

會根據所要發展的活塞用途設計出活塞的外型，比如說使用於NA必定是凸頂活塞，或者是使用渦輪的是凹頂活塞，若需要渦流氣流設計活塞外型必定是不一樣，此案例中都是分析活塞能夠承受多少壓力與溫度變化。

所以需要根據需求設計出活塞模型。而這個模型是呈現3D 圖面，而這個格式是向量圖形，所謂向量圖形是圖檔儲存「錨點」間曲線及色彩的公式，觀看時再由瀏覽者的電腦將公式轉為色彩。

所以是記錄相關數據與公式的紀錄，若要觀賞就必須透過電腦計算出人類所看的圖面。

3.元件網格 (Mesh generation)

這個Mesh 類似網格或者稱之為網面物件或者叫做網狀拓樸，簡單來講就是　利用三角面來當作多邊形 ( Polygon )組成表面，當三角形越多的話表面光滑度就會越精緻，但是對電腦運算功能將會是極大的運算效能。

而這個用途就會建立計算點，會如下一步驟的來設定計算方式。

4.邊界條件 (Boundary condition)

看要設定甚麼條件，這部分就是設定分析元件的要承受的熱應力或者是活塞的表面應力。熱分析的就是用Thermal boundary condition：此可以設定溫度為360℃或者是任何溫度，

而應力分析是用Mechanical boundary condition來設定應力為6.04MPa或任何應力。這端看所要分析與驗證的需求。以上所要受測的條件設定完成後，就可以進行分析。簡單來講就是電腦去跑。

當分析完成後會呈現如下圖所示：

此圖是Mechanical boundary condition來設定應力為6.04MPa 所產生的結果

所以根據上圖就可以知道壓力呈現在哪裡，這樣就會知道最先破壞的地方是哪一個舉個例子如下圖所示

這是模擬活塞壓縮氣體達到150 bar的壓力 該活塞元件所呈現的壓力分布圖，可以看出在壓縮過程中最大受力點在於活塞銷 ，可由顏色來表示，這樣的話可以得知在壓縮過程中最大受力點是活塞銷中。

最後就可以得知該元件是否可以符合當初設定的產品，若符合則會少量生產後進行實際測試，看是否符合當初產品設定的用途。

若實際測試完成後，即可大量生產。

所以假設沒有FEA的話，再製造出活塞就必須要實際去破壞，這樣所費的成本就會大幅度增加，而這些成本或許會轉讓給消費者，但是透過FEA來分析時可以減少實際產品的驗證，可以藉由電腦分析來看是否能夠承受這樣應力與熱力

來決定是否實際生產來進行驗證，這樣可以大幅度減少。

所以有FEA的話可以避免一些不可預見的損壞，比如說這活塞的極限在哪？可以透過ＦＥＡ來得知。這樣就不需要時活塞進行破壞測試，這樣可以大幅度減少費用，也避免不必要的浪費。

參考資料

http://dhcp.tcgs.tc.edu.tw/flash/basic/b1-1.htm

https://grabcad.com/library/piston-with-dimensions-1

http://autocad-free-download.blogspot.com/2014/03/autocad-online-training-tutorial-piston.html

http://animapp.tw/blog/production/modeling-and-texture/108-3d-mesh-topology-little-knowledge-square-face-vs-triangles-translation-yao-division.html

https://kknews.cc/zh-tw/news/3gn4eo.html

http://myweb.ncku.edu.tw/~hhlee/Myweb_at_NCKU/Books.html

https://kv1012tiger.pixnet.net/blog/post/102358594-%E9%BB%9E%E9%99%A3%E6%80%A7%E5%9C%96%E5%BD%A2%E5%8F%8A%E5%90%91%E9%87%8F%E6%80%A7%E5%9C%96%E5%BD%A2

https://pdfs.semanticscholar.org/8d0b/595f4e98ea7c4f5cbeca87e467c02d6dc4f0.pdf

https://www.ijitee.org/wp-content/uploads/papers/v8i7/G6017058719.pdf

https://www.researchgate.net/publication/315724990_THERMAL_AND_STRUCTURAL_ANALYSIS_OF_PISTON_BY_ANSYS

https://pdfs.semanticscholar.org/8d0b/595f4e98ea7c4f5cbeca87e467c02d6dc4f0.pdf