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CAE技術在閥門中的重要性以及運用

2014-11-1　　閱讀(3427)

近年來，隨著計算機技術和計算方法的發(fā)展，計算機輔助設計已經成為現(xiàn)代設計方法的主要手段和工具。CAE技術和軟件更是關鍵的技術要素之一。CAE作為一項跨學科的數(shù)值模擬分析技術，越來越受到科技界和工程界的重視。許多大型的CAE分析軟件已相當成熟并已商品化，計算機模擬分析不僅在科學研究中普遍采用，而且在工程上也已達到了實用化階段。

隨著世界制造業(yè)中心逐步向我國轉移，我國的閥門制造業(yè)也發(fā)生了一系列重大變化：（1）閥門產品呈現(xiàn)出大型化、高參數(shù)化、高可靠性、自動化、成套化等趨勢，且隨著數(shù)量越來越大，檔次也越來越高，技術密集及附加值大幅度提高；（2）生產模式由過去的大批量、少品種向小批量、多品種以及按用戶訂貨要求制造的方向發(fā)展，需求的多樣化使產品結構日益復雜；（3）企業(yè)由于受到市場壓力的作用。目前大多存在以銷定產的情況，供貨周期短，產品的質量、交貨期和價格已成為影響企業(yè)競爭力的三個決定因素。以上這些特點，都為產品的設計技術提出了更高的要求?，F(xiàn)代企業(yè)必須采用的技術手段，縮短開發(fā)和制造周期，降低成本，提高質量，使企業(yè)具備很強的應變能力，迅速響應用戶的各項要求，并能根據(jù)科技發(fā)展和市場需求的變化，及時調整產品的類型和結構。

CAE（ComputerAidedEngineering，即計算機輔助工程）技術，是指工程設計中的分析計算與分析仿真，具體包括工程數(shù)值分析、結構與過程優(yōu)化設計、強度與壽命評估、運動、動力學仿真。工程數(shù)值分析用來分析確定產品的性能；結構與過程優(yōu)化設計用來保證產品功能、工藝過程的基礎上，使產品、工藝過程的性能*；結構強度與壽命評估用來評估產品的精度設計是否可行?？煽啃匀绾我约笆褂脡勖鼮槎嗌伲贿\動，動力學仿真用來對CAD建模完成的虛擬樣機進行運動學仿真和動力學仿真。從過程化、實用化技術發(fā)展的角度看，CAE的核心技術為有限元技術與虛擬樣機的運動，動力學仿真技術。對CAE作進一步分析，其具體的含義表現(xiàn)為以下幾個方面：

（1）運用工程數(shù)值分析中的有限元等技術分析計算產品結構的應力、變形等物理場量，給出整個物理場量在空間與時間上的分布，實現(xiàn)結構的從線性、靜力計算分析到非線性、動力的計算分析；

（2）運用過程優(yōu)化設計的方法在滿足工藝、設計的約束條件下，對產品的結構、工藝參數(shù)、結構形狀參數(shù)進行優(yōu)化設計，使產品結構性能、工藝過程達到*；

（3）運用結構強度與壽命評估的理論、方法、規(guī)范，對結構的安全性、可靠性以及使用壽命做出評價與估計；

（4）運用運動，動力學的理論、方法，對由CAD實體造型設計出的機構、整機進行運動，動力學仿真，給出機構、整機的運動軌跡、速度、加速度以及動反力的大小等。

現(xiàn)代設計方法表明，產品設計雖然只占產品整個成本的5%，但它卻影響產品整個成本的70%。在設計過程中。如果確定了產品結構、零件形狀、材料及精度，則產品成本的70%～80%將被確定。對新產品的開發(fā)周期而言，產品設計占其周期的50%以上。統(tǒng)計資料表明。我國工程技術人員用于產品設計的工作量大約為40%，其余時間用在查閱技術標準、手冊和一些輔助工作上。而產品設計工作只有30%屬新產品開發(fā)。70%左右的設計都是在原有基礎上進行的。從閥門行業(yè)的情況看更是如此。另據(jù)資料顯示，幾乎50%~90%結構或零部件的失效都是由于材料疲勞引起的。據(jù)1996年勞動部對200起壓力管道事故的原因分析顯示，設計原因占了11%。可見，設計工作在閥門制造業(yè)中的地位是非常重要的。近些年來的實踐證明，將數(shù)字化設計技術應用于制造業(yè)，進行傳統(tǒng)制造業(yè)的改造，是現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的必由之路。據(jù)專家估計，由于現(xiàn)代科技的進步，今后15年制造技術的發(fā)展將超過以往的75年。

制造業(yè)的生命力在于產品的創(chuàng)新，閥門制造業(yè)也是如此。實現(xiàn)創(chuàng)新的關鍵。除了設計思想和概念之外，zui主要的就是技術保障。即采用可靠的CAD/CAE軟件。但大部分CAD軟件中的分析模塊功能過于簡單化、通用化，真正量化的分析項目仍然要依靠專業(yè)的CAE軟件來解決。企業(yè)日益全面和多元化的需求，促成了數(shù)字化設計技術的發(fā)展。CAD和CAE這兩條并軌道之間的距離越來越近，CAD/CAE的集成化是發(fā)展的趨勢。CAE技術能夠給工業(yè)企業(yè)產品研發(fā)帶來巨大的經濟效益，這已成為不爭的事實。以ANSYS、LS-DYNA等為代表的CAE軟件早已活躍在各行各業(yè)中，將“基于物理樣機試驗的傳統(tǒng)設計方法”帶入基于“虛擬樣機仿真的現(xiàn)代設計方法”，將大幅度縮短產品開發(fā)周期，降低成本，提高企業(yè)競爭力，

潛在的問題越早地得到解決，設計的成本與周期的降低效果越明顯。因此，CAE分析應該提前到概念設計階段，在零部件設計階段就應該進行CAE分析。設計人員負責對自己設計的零部件進行分析，已成為企業(yè)的迫切需求。應用CAE技術進行閥門的分析設計，將使閥門設計領域發(fā)生根本變革，推動閥門設計方法及設計技術的進步。

閥門制造業(yè)中，按照產品設計流程。CAE技術可在如下幾個步驟發(fā)揮作用：

(1)根據(jù)市場需求、產品功能及商業(yè)考慮等進行產品規(guī)劃、方案設計，CAE可以用來完成基礎設計的驗證、不同方案的比較。滿足功能、性能方面的要求。并為企業(yè)領導層進行產品決策提供參考，回答是否能夠在預定時間、預定成本等約束條件下開發(fā)出能滿足要求的產品的問題。這一階段主要進行較為詳細的、帶有一定目標的預演。

(2)詳細設計階段

在這個階段，所有的設計將全部展開，從系統(tǒng)設計、裝配部件、子裝配、零件設計，直到圖紙、材料、制造工藝等。CAE分析在這個階段的作用，就是驗證各種部件是否能滿足預期的性能（如結構強度、剛度、動力特性等），制造上是否可行。

(3)樣機試驗階段

試驗階段是設計完成后的關鍵階段，大多數(shù)企業(yè)（尤其特種閥門制造企業(yè)）艘是先制造物理樣機然后投入試驗。如果某些地方試驗失敗，就要重新設計，重新制造，重新試驗。如此反復直到定型通過。顯然，這樣反復多次的“設計、試驗、修改”過程，既耗費時間，費用又極為昂貴。如果采用CAE分析，樣機的數(shù)量和重新制造、重新試驗的次數(shù)必然會減少。在數(shù)字樣機的仿真試驗中發(fā)現(xiàn)問題，修改設計，與物理樣機相比，顯然其成本會降低很多。據(jù)統(tǒng)計，數(shù)字樣機的開發(fā)方式能夠減少一半以上的物理樣機制造和試驗，從而爭取到更多的時間，節(jié)約大量的費用。

更進一步。CAE仿真的數(shù)字樣機可以使物理試驗更快獲得通過。事實上，CAE分析可以“透視”整個樣機的試驗，顯示出所有檢測點的數(shù)據(jù)，設計人員可以通過軟件在實際試驗之前就掌握*測試方法和zui可能的載荷/激勵位置，從而顯著地減少試驗時間，盡可能避免在試驗現(xiàn)場進行“猜測”。

(4)產品測試評估階段

這一階段主要是利用CAE軟件對產品成本、產品性能、產品質量和加工特性作出全面真實的評價。從而為設計更改和產品的生產提供可靠依據(jù)。

通過一個例子?？梢钥吹綔p少物理樣機的制造和試驗，為企業(yè)帶來的收益。美國某汽車配件公司一直采用傳統(tǒng)的“設計、試驗、修改”方式進行配件設計。將CAE分析技術應用到某些樣機試驗場合后，他們減少了50%的物理樣機以及試驗費用，而且還更快地完成了這些部件的設計、驗證工作。

CAE軟件是迅速發(fā)展中的計算力學、計算數(shù)學、相關的工程科學、工程管理學與現(xiàn)代計算技術相結合而形成的一種綜合性、知識密集型信息產品，主要以有限元法、有限差分法、有限體積法以及無網格法為數(shù)學基礎。目前國內CAE技術以有限元法應用。20世紀80年代初至今國內有限元體系已發(fā)生兩次深刻的變化，近來隨著數(shù)字化產品設計概念逐漸深入人心，第三次有限元技術的應用浪潮正在形成?；谟邢拊ǖ腃AE應用軟件可分為三類：

（1）通用有限元分析軟件。ANSYS，NASTRAN、ABAQUS、MARC、ADINA等屬于這類軟件。

（2）有限元分析軟件。ADAMS、DADS、MSC/FATIGUE等屬于這類軟件。

（3）嵌套在CAD/CAE/CAM系統(tǒng)中的有限元分析模塊。之所以稱為模塊，是因為它們與設計軟件等集成為一體，在這種集成系統(tǒng)中，有限元分析在工程師所熟悉的設計環(huán)境下進行。有限元分析是CAE的主要支撐，I-DEAS、Pro/ENGINEER、UNIGRAPHICS等。

CAD/CAE/CAM系統(tǒng)中的有限元分析模塊。功能沒有通用或有限元分析軟件那么強大全面，但是它們解決一般工程問題的能力也是很強的。其中，I-DEAS很有代表性。

現(xiàn)以ANSYS為例簡要說明CAE軟件的特點。ANSYS是zui大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發(fā)的。它能與多數(shù)CAD軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，是經典CAE工具，在現(xiàn)代產品設計中廣泛使用，又是*具有中文界面的大型通用有限元軟件。能實現(xiàn)多場及多場耦合分析，具有多物理場優(yōu)化功能，良好的用戶開發(fā)環(huán)境。軟件主要包括前、后處理模塊和分析計算模塊三部分。前處理模塊提供實體建模及網格劃分工具，以便用戶構造有限元模型；分析計算模塊包括結構分析、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計算結果以彩色等值線等圖形顯示出來，也可將計算結果以圖表、曲線形式顯示或輸出。筆者在工作中采用ANSYS軟件進行結構靜力有限元分析，取得了良好的效果。

閥門制造業(yè)的競爭將是設計的競爭。競爭的焦點是zui快地引入新技術、zui短的開發(fā)周期和zui小的開發(fā)成本。傳統(tǒng)的設計理論和方法已逐漸不能適應指導現(xiàn)代設計活動的要求。閥門行業(yè)市場和資源結構的變化，對設計理論和方法提出了新的命題。在我國由制造業(yè)大國向制造業(yè)強國邁進的過程中。閥門制造業(yè)新產品設計、開發(fā)能力嚴重不足的狀況亟待改變。CAE方法作為可靠的設計手段．其應用范圍已從對已設計產品性能的簡單校核迅速擴展到對產品設計和加工過程的準確預測。直到產品全生命周期的模擬。閥門制造業(yè)采用CAE技術。將大大提高閥門設計質量和效率。并取得顯著的經濟效益。

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