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航空發展百年紀念：雛形設計的利器–電腦輔助工程軟體

93/04/12 9461

方俊｜逢甲大學航空工程學系

時勢造英雄

近年來，由於國際的競爭及臺灣土地、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二種軟體目前在臺灣擁有廣大的市場，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）為平臺的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。

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臺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臺中的中小企業發跡。

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，隨著臺灣竹科的興起，給予它另一個揮灑的舞臺。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，但在臺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。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平臺

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平臺，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-DEAS曾與ADAM高階機構分析軟體整合，大幅增加了模擬機構分析的精確及方便性。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平臺的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，迅速在臺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 & 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 difference 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NASTRAN，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。

相信臺灣的產業界，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，根留臺灣的理想。

資料來源

《科學發展》2004年4月，376期，36 ~ 41頁

航太航空工業(2) 電模擬(5)

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