什麼是 Ashby 圖？

Ashby 圖也稱為 Ashby 圖表，廣泛應用於工程、機械設計、材料科學、化學和其他材料需求高的領域。這是由劍橋大學的 Michael Ashby 教授開發，並以他的名字命名。

在最簡單的層面上，Ashby 圖是 2D 散佈圖，在 X 軸上顯示一個材料屬性，在 y 軸上顯示另一個材料屬性。這可讓工程師在為特定應用選擇材料時，在不同材料屬性和其他開發參數 (例如成本) 之間進行取捨。在選擇需要滿足特定目標的材料時，這是比較不同因素和屬性的一種基礎方法。Ashby 圖可用於比較任何類型的材料。雖然難以將 3D 繪圖視覺化，但可在 2D Ashby 圖中使用不同顏色來提供額外的屬性資訊。

Ashby 圖可用於任何以材料科學和特定屬性 (機械、熱、物理、電氣、環境等) 為其產品之中心的產業。由於 Ashby 圖是一種用途廣泛的工具，不針對特定產業而設計，因此對工程師來說，它們是一種功能非常廣泛的工具。廣泛使用 Ashby 圖的常見範例包括汽車、航太、消費性技術、發電和建築產業，以及學術界。 

所有 Ashby 圖都可作為視覺材料選擇和篩選工具，讓工程師查看不同材料的不同屬性組合。在許多情況下，可能無法選擇最先進、最受歡迎或最廣泛使用的材料，因為其他因素和成本可能會限制其在特定應用中的潛力。在 Ashby 圖中，需要在必要屬性和其他因素之間進行權衡及取捨，例如材料幾何、材料可取得性、永續性和成本。在權衡所有因素後，最合適的材料就是在選擇過程中所挑選的材料。

Ashby 圖通常會使用色彩來表示材料類別，例如複合材料、聚合物、金屬、合金、高熵合金、天然材料、非技術陶瓷或技術陶瓷。

Ashby 圖可在設計過程中使用，透過尋找更合適的材料來改善現有元件的效能，或用於尋找適合新應用的材料。

雖然 Ashby 圖可以比較任何兩種材料屬性 (通常是某種形式的強度、成本、環境影響或輕量化)，但工程師最常查看的一些範例可能包括：

• 密度與楊氏模量
• 楊氏模量與成本
• 降伏強度與斷裂韌性
• 環境影響與任何感興趣的材料屬性
• 密度與最高工作溫度

Ashby 圖是 Ashby 選擇方法的一部分，其核心是材料選擇。此方法從考慮所有材料類別中的所有可用材料開始，並根據更具體的材料要求和限制，將其縮小到更窄的範圍。

為了縮小選擇範圍，工程師需要詳細分析應用的設計需求，並考慮如下問題：

• 正在建構的產品是什麼？
• 該產品的功能為何？
• 它需要哪些負載要求？
• 公差為何？
• 它是否需要高溫屬性？
• 它是否需要抗任何腐蝕性元素？
• 有哪些幾何限制？
• 碳足跡是否重要？

所有這些類型的設計問題都有助於判斷哪些材料屬性在材料中很重要，哪些是材料的必要屬性，以及哪些屬性可以靈活取捨。

一旦確定材料目標，就會根據限制和「必要」屬性來篩選材料，以縮小適合的材料選擇範圍。所有不符合這些限制的項目都會被排除，而剩餘材料可以根據最佳潛能類型 (如成本等考量因素) 進行考量和排名。最終結果的 Ashby 圖僅會顯示未被限制排除的材料。繪圖中材料的屬性通常顯示為範圍 (考慮到效能的典型變化)，而非單一數值。因此，材料通常會顯示為一個「泡泡」，以表示材料可能呈現的屬性範圍。

對於簡單的目標，一個或兩個 Ashby 圖，再結合其他限制通常就足以做出判斷。然而，有許多進階應用通常需要多個目標，例如，嘗試在特定負載條件下比較特定幾何。這就需要多個 Ashby 圖或更複雜的 Ashby 圖，並透過使用效能指數來找出適合應用的材料。

對於更複雜或特定的應用，簡單的 Ashby 圖通常不足以滿足需求。此時必須使用效能指數。效能指數不是 Ashby 圖表軸上的單一屬性值，而是多個材料屬性的數學組合，可使用圖表的單一軸分析多個效能係數。這簡化了處理多個目標時的視覺元素，因為它會在單一繪圖中考量許多因素，以協助找到正確的材料。

效能指數的一些直接範例包括：彎折的面板、壓縮的柱或扭轉的軸。以彎折的面板為例，在設計過程中，可能會有自由變數變化，例如面板厚度根據所需效能而變化。固定變數 (即無法在設計過程中變更的變數) 也需要加以識別。例如，這可能是面板的長度和寬度，因為它需要放在特定空間內。

一旦確定這些變數，就可以識別限制。其核心是材料的行為，例如剛度受限設計，不得彎折超過特定點，或強度受限設計，在特定負載下不可故障。限制考量材料在特定條件下是否會故障，以及找到不會故障的材料。

所有這些因素都會納入效能指數中，讓工程師能夠在特定情境中對許多不同的材料和材料分類進行排名，以達設計最佳化。因此，效能係數會在一定程度上考量幾何和負載。這表示，不只是提供「成本最低的材料」，而是根據您的特定限制，為「在剛度受限的設計中提供最低成本的彎折面板選項」。例如：金屬可產生較薄的零件，但較厚的塑膠可能整體上仍較輕，因此在某些情境中更有利。雖然效能指數可以手動導出或手動計算，但現在使用效能指數的最快且最簡單的方法是使用納入易於選擇格式之預先定義效能指數的軟體，其涵蓋廣泛的工程情境。

有許多不同的情況和材料可以根據應用進行篩選。以下是Ansys (現已與 Synopsys 合而為一) 的一位工程師判斷哪些新材料可以取代現有材料，以提高效能典型流程的方法。在此範例中，我們在尋求一種汽車橫樑的新材料，以取代目前的沙鑄 357 鋁合金。雖然鋁製橫梁已足夠使用，但工程師仍想尋找更輕的新材料來減輕車輛零件的重量，從而減輕車輛對環境的整體影響。

在開始選擇的階段中，橫樑被近似化表示為彎折的橫樑。固定和自由變數的確定方式如下：橫樑的長度和形狀無法變更，但如有需要，可以變更橫樑的面積 (橫截面)。

汽車橫樑的限制是其強度，因此材料必須足夠堅固，以承受負載而不會故障。質量也是關鍵目標之一。第一個 Ashby 圖使用兩個效能指數：在 Y 軸上，是彎折橫樑的每單位強度質量，在 X 軸上，是彎折橫樑的每單位強度成本。根據這項初步分析結果，許多材料類別皆可能適用，涵蓋從工程陶瓷到金屬、金屬合金，以及非工程陶瓷等多種材料。根據材料的密度，此處的一些材料會更厚但更輕，而其他材料則會更薄和更重。

此時，尚未排除任何材料，導致產生的材料清單完全不適合汽車應用。雖然從質量和/或單位強度成本的角度來看，技術上是可行的，但木材和混凝土等材料並不適用於汽車應用。套用了合理的限制後，不適合的材料就會被移除，只留下合適的材料。對於汽車橫樑，限制範例包括足夠的機械屬性、在廣泛的溫度範圍 (-40 至 100°C) 下運作，以及對淡水和鹽水的耐受性至少達可接受程度。

套用這些限制後，留在 Ashby 圖底部的材料最輕，但也往往更昂貴，例如碳纖維複合材料。Ashby 圖最左側的選項是最便宜的，但也往往有較重的重量。在低重量、低價格的折衷選項中，我們發現玻璃纖維填充 PA66 (尼龍 66) 級聚合物可能是符合所有要求的良好替代材料。接著，對此候選方案做進一步的分析、模擬和實體測試。

繪圖的資料來源是 Ansys MaterialUniverse 資料庫，這是一個獨特的 Ansys 專屬資料庫，包含數千種通用工程材料，具有完整且可比較的資訊，因此特別適用於 Ashby 圖中的材料選擇和(或)效能指數。

雖然使用 Ashby 圖有許多好處，但這並不是最完美的方法。與其他分析方法一樣，它也有一些限制。Ashby 圖的限制包括：

• 無法同時將兩或三個以上的因素在單一 Ashby 圖表進行比較，若要這樣做，需要建立多個 Ashby 圖表進行並排資料比較
• 這是一種視覺化方法，不提供單一答案或單一最佳材料，而是提供需要更詳細調查的材料系列或一系列潛在選項。工程判斷對此至關重要，因為各組織必須自行決定每個取捨因素的重要性，例如，為了提升效能，可以接受多少成本增加
• Ashby 圖需要與其他搜尋和選擇查詢一起使用，以充分瞭解材料是否適合某種應用
• Ashby 圖需要完整且可比較的資料，因為如果缺少屬性資料，就無法繪製材料。Ansys MaterialUniverse 資料庫特別適合此應用

Ashby 圖可以使用 Ansys Granta 材料資訊、選擇和資料管理產品組合產生，包括 Ansys Granta Selector 材料選擇軟體和 Ansys Granta MI Enterprise 材料資料管理軟體。在 Ansys Granta 中，資料可以繪製和標記，並包含任何數量的限制和要求，將材料選擇範圍縮小至可詳細調查的數個選項，例如，只要限制設定適當，即可將材料數量從數萬種減少到5或 10 種潛在材料。

Ansys Granta Selector 軟體是一個獨立的程式，旨在執行材料選擇任務。這是一款以 Windows 桌面為基礎的解決方案，適用於設計人員、模擬人員和材料科學專家。Ansys Granta MI 軟體是企業級應用程式，可供組織用來管理和儲存自己的材料資料，並且具備執行材料搜尋和選擇的功能。這兩種軟體工具都可取得材料資料，並建立 Ashby 圖。

使用任一 Granta 工具選擇材料後，這些材料及其在不同應用情境中的使用，可以在其他 Ansys 工具中模擬，例如 Ansys Mechanical 結構有限元素分析軟體、Ansys Discovery 3D 產品模擬軟體、Ansys Maxwell 進階電磁場求解器或 Ansys HFSS 高頻電磁模擬軟體。相關資料可以直接從 Granta 匯出至其他工具，以更深入地模擬任何潛在候選材料，並找出哪種材料是最佳選項。

如果您想進一步瞭解如何利用 Ashby 圖，為您的應用選擇正確的材料或材料組合，請立即聯絡我們的專家。

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