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上歐閥門(mén)有限公司
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CAE技術(shù)在閥門(mén)中的重要性以及運(yùn)用
2014-11-1 閱讀(3413)
近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算方法的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)已經(jīng)成為現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的主要手段和工具。CAE技術(shù)和軟件更是關(guān)鍵的技術(shù)要素之一。CAE作為一項(xiàng)跨學(xué)科的數(shù)值模擬分析技術(shù)，越來(lái)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(dāng)成熟并已商品化，計(jì)算機(jī)模擬分析不僅在科學(xué)研究中普遍采用，而且在工程上也已達(dá)到了實(shí)用化階段。
隨著世界制造業(yè)中心逐步向我國(guó)轉(zhuǎn)移，我國(guó)的閥門(mén)制造業(yè)也發(fā)生了一系列重大變化：（1）閥門(mén)產(chǎn)品呈現(xiàn)出大型化、高參數(shù)化、高可靠性、自動(dòng)化、成套化等趨勢(shì)，且隨著數(shù)量越來(lái)越大，檔次也越來(lái)越高，技術(shù)密集及附加值大幅度提高；（2）生產(chǎn)模式由過(guò)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(chǎn)品結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜；（3）企業(yè)由于受到市場(chǎng)壓力的作用。目前大多存在以銷(xiāo)定產(chǎn)的情況，供貨周期短，產(chǎn)品的質(zhì)量、交貨期和價(jià)格已成為影響企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的三個(gè)決定因素。以上這些特點(diǎn)，都為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)技術(shù)提出了更高的要求?，F(xiàn)代企業(yè)必須采用的技術(shù)手段，縮短開(kāi)發(fā)和制造周期，降低成本，提高質(zhì)量，使企業(yè)具備很強(qiáng)的應(yīng)變能力，迅速響應(yīng)用戶的各項(xiàng)要求，并能根據(jù)科技發(fā)展和市場(chǎng)需求的變化，及時(shí)調(diào)整產(chǎn)品的類(lèi)型和結(jié)構(gòu)。
CAE（ComputerAidedEngineering，即計(jì)算機(jī)輔助工程）技術(shù)，是指工程設(shè)計(jì)中的分析計(jì)算與分析仿真，具體包括工程數(shù)值分析、結(jié)構(gòu)與過(guò)程優(yōu)化設(shè)計(jì)、強(qiáng)度與壽命評(píng)估、運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力學(xué)仿真。工程數(shù)值分析用來(lái)分析確定產(chǎn)品的性能；結(jié)構(gòu)與過(guò)程優(yōu)化設(shè)計(jì)用來(lái)保證產(chǎn)品功能、工藝過(guò)程的基礎(chǔ)上，使產(chǎn)品、工藝過(guò)程的性能*；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與壽命評(píng)估用來(lái)評(píng)估產(chǎn)品的精度設(shè)計(jì)是否可行?？煽啃匀绾我约笆褂脡勖鼮槎嗌?；運(yùn)動(dòng)，動(dòng)力學(xué)仿真用來(lái)對(duì)CAD建模完成的虛擬樣機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真和動(dòng)力學(xué)仿真。從過(guò)程化、實(shí)用化技術(shù)發(fā)展的角度看，CAE的核心技術(shù)為有限元技術(shù)與虛擬樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)，動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)。對(duì)CAE作進(jìn)一步分析，其具體的含義表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：
（1）運(yùn)用工程數(shù)值分析中的有限元等技術(shù)分析計(jì)算產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形等物理場(chǎng)量，給出整個(gè)物理場(chǎng)量在空間與時(shí)間上的分布，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的從線性、靜力計(jì)算分析到非線性、動(dòng)力的計(jì)算分析；
（2）運(yùn)用過(guò)程優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法在滿足工藝、設(shè)計(jì)的約束條件下，對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)、結(jié)構(gòu)形狀參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能、工藝過(guò)程達(dá)到*；
（3）運(yùn)用結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與壽命評(píng)估的理論、方法、規(guī)范，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性以及使用壽命做出評(píng)價(jià)與估計(jì)；
（4）運(yùn)用運(yùn)動(dòng)，動(dòng)力學(xué)的理論、方法，對(duì)由CAD實(shí)體造型設(shè)計(jì)出的機(jī)構(gòu)、整機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，動(dòng)力學(xué)仿真，給出機(jī)構(gòu)、整機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡、速度、加速度以及動(dòng)反力的大小等。
現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法表明，產(chǎn)品設(shè)計(jì)雖然只占產(chǎn)品整個(gè)成本的5%，但它卻影響產(chǎn)品整個(gè)成本的70%。在設(shè)計(jì)過(guò)程中。如果確定了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、零件形狀、材料及精度，則產(chǎn)品成本的70%～80%將被確定。對(duì)新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期而言，產(chǎn)品設(shè)計(jì)占其周期的50%以上。統(tǒng)計(jì)資料表明。我國(guó)工程技術(shù)人員用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的工作量大約為40%，其余時(shí)間用在查閱技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、手冊(cè)和一些輔助工作上。而產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作只有30%屬新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。70%左右的設(shè)計(jì)都是在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行的。從閥門(mén)行業(yè)的情況看更是如此。另?yè)?jù)資料顯示，幾乎50%~90%結(jié)構(gòu)或零部件的失效都是由于材料疲勞引起的。據(jù)1996年勞動(dòng)部對(duì)200起壓力管道事故的原因分析顯示，設(shè)計(jì)原因占了11%?？梢?jiàn)，設(shè)計(jì)工作在閥門(mén)制造業(yè)中的地位是非常重要的。近些年來(lái)的實(shí)踐證明，將數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用于制造業(yè)，進(jìn)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(zhuān)家估計(jì)，由于現(xiàn)代科技的進(jìn)步，今后15年制造技術(shù)的發(fā)展將超過(guò)以往的75年。
制造業(yè)的生命力在于產(chǎn)品的創(chuàng)新，閥門(mén)制造業(yè)也是如此。實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的關(guān)鍵。除了設(shè)計(jì)思想和概念之外，zui主要的就是技術(shù)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(guò)于簡(jiǎn)單化、通用化，真正量化的分析項(xiàng)目仍然要依靠專(zhuān)業(yè)的CAE軟件來(lái)解決。企業(yè)日益全面和多元化的需求，促成了數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展。CAD和CAE這兩條并軌道之間的距離越來(lái)越近，CAD/CAE的集成化是發(fā)展的趨勢(shì)。CAE技術(shù)能夠給工業(yè)企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益，這已成為不爭(zhēng)的事實(shí)。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(jī)試驗(yàn)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法”帶入基于“虛擬樣機(jī)仿真的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法”，將大幅度縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，降低成本，提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，
潛在的問(wèn)題越早地得到解決，設(shè)計(jì)的成本與周期的降低效果越明顯。因此，CAE分析應(yīng)該提前到概念設(shè)計(jì)階段，在零部件設(shè)計(jì)階段就應(yīng)該進(jìn)行CAE分析。設(shè)計(jì)人員負(fù)責(zé)對(duì)自己設(shè)計(jì)的零部件進(jìn)行分析，已成為企業(yè)的迫切需求。應(yīng)用CAE技術(shù)進(jìn)行閥門(mén)的分析設(shè)計(jì)，將使閥門(mén)設(shè)計(jì)領(lǐng)域發(fā)生根本變革，推動(dòng)閥門(mén)設(shè)計(jì)方法及設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步。
閥門(mén)制造業(yè)中，按照產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程。CAE技術(shù)可在如下幾個(gè)步驟發(fā)揮作用：
(1)根據(jù)市場(chǎng)需求、產(chǎn)品功能及商業(yè)考慮等進(jìn)行產(chǎn)品規(guī)劃、方案設(shè)計(jì)，CAE可以用來(lái)完成基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的驗(yàn)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(lǐng)導(dǎo)層進(jìn)行產(chǎn)品決策提供參考，回答是否能夠在預(yù)定時(shí)間、預(yù)定成本等約束條件下開(kāi)發(fā)出能滿足要求的產(chǎn)品的問(wèn)題。這一階段主要進(jìn)行較為詳細(xì)的、帶有一定目標(biāo)的預(yù)演。
(2)詳細(xì)設(shè)計(jì)階段
在這個(gè)階段，所有的設(shè)計(jì)將全部展開(kāi)，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、裝配部件、子裝配、零件設(shè)計(jì)，直到圖紙、材料、制造工藝等。CAE分析在這個(gè)階段的作用，就是驗(yàn)證各種部件是否能滿足預(yù)期的性能（如結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、動(dòng)力特性等），制造上是否可行。
(3)樣機(jī)試驗(yàn)階段
試驗(yàn)階段是設(shè)計(jì)完成后的關(guān)鍵階段，大多數(shù)企業(yè)（尤其特種閥門(mén)制造企業(yè)）艘是先制造物理樣機(jī)然后投入試驗(yàn)。如果某些地方試驗(yàn)失敗，就要重新設(shè)計(jì)，重新制造，重新試驗(yàn)。如此反復(fù)直到定型通過(guò)。顯然，這樣反復(fù)多次的“設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、修改”過(guò)程，既耗費(fèi)時(shí)間，費(fèi)用又極為昂貴。如果采用CAE分析，樣機(jī)的數(shù)量和重新制造、重新試驗(yàn)的次數(shù)必然會(huì)減少。在數(shù)字樣機(jī)的仿真試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，修改設(shè)計(jì)，與物理樣機(jī)相比，顯然其成本會(huì)降低很多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，數(shù)字樣機(jī)的開(kāi)發(fā)方式能夠減少一半以上的物理樣機(jī)制造和試驗(yàn)，從而爭(zhēng)取到更多的時(shí)間，節(jié)約大量的費(fèi)用。
更進(jìn)一步。CAE仿真的數(shù)字樣機(jī)可以使物理試驗(yàn)更快獲得通過(guò)。事實(shí)上，CAE分析可以“透視”整個(gè)樣機(jī)的試驗(yàn)，顯示出所有檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)軟件在實(shí)際試驗(yàn)之前就掌握*測(cè)試方法和zui可能的載荷/激勵(lì)位置，從而顯著地減少試驗(yàn)時(shí)間，盡可能避免在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行“猜測(cè)”。
(4)產(chǎn)品測(cè)試評(píng)估階段
這一階段主要是利用CAE軟件對(duì)產(chǎn)品成本、產(chǎn)品性能、產(chǎn)品質(zhì)量和加工特性作出全面真實(shí)的評(píng)價(jià)。從而為設(shè)計(jì)更改和產(chǎn)品的生產(chǎn)提供可靠依據(jù)。
通過(guò)一個(gè)例子?？梢钥吹綔p少物理樣機(jī)的制造和試驗(yàn)，為企業(yè)帶來(lái)的收益。美國(guó)某汽車(chē)配件公司一直采用傳統(tǒng)的“設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、修改”方式進(jìn)行配件設(shè)計(jì)。將CAE分析技術(shù)應(yīng)用到某些樣機(jī)試驗(yàn)場(chǎng)合后，他們減少了50%的物理樣機(jī)以及試驗(yàn)費(fèi)用，而且還更快地完成了這些部件的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證工作。
CAE軟件是迅速發(fā)展中的計(jì)算力學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)、相關(guān)的工程科學(xué)、工程管理學(xué)與現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)相結(jié)合而形成的一種綜合性、知識(shí)密集型信息產(chǎn)品，主要以有限元法、有限差分法、有限體積法以及無(wú)網(wǎng)格法為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。目前國(guó)內(nèi)CAE技術(shù)以有限元法應(yīng)用。20世紀(jì)80年代初至今國(guó)內(nèi)有限元體系已發(fā)生兩次深刻的變化，近來(lái)隨著數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計(jì)概念逐漸深入人心，第三次有限元技術(shù)的應(yīng)用浪潮正在形成?；谟邢拊ǖ腃AE應(yīng)用軟件可分為三類(lèi)：
（1）通用有限元分析軟件。ANSYS，NASTRAN、ABAQUS、MARC、ADINA等屬于這類(lèi)軟件。
（2）有限元分析軟件。ADAMS、DADS、MSC/FATIGUE等屬于這類(lèi)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(chēng)為模塊，是因?yàn)樗鼈兣c設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)環(huán)境下進(jìn)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(méi)有通用或有限元分析軟件那么強(qiáng)大全面，但是它們解決一般工程問(wèn)題的能力也是很強(qiáng)的。其中，I-DEAS很有代表性。
現(xiàn)以ANSYS為例簡(jiǎn)要說(shuō)明CAE軟件的特點(diǎn)。ANSYS是zui大的有限元分析軟件公司之一的美國(guó)ANSYS開(kāi)發(fā)的。它能與多數(shù)CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，是經(jīng)典CAE工具，在現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)多場(chǎng)及多場(chǎng)耦合分析，具有多物理場(chǎng)優(yōu)化功能，良好的用戶開(kāi)發(fā)環(huán)境。軟件主要包括前、后處理模塊和分析計(jì)算模塊三部分。前處理模塊提供實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，以便用戶構(gòu)造有限元模型；分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)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(jì)算結(jié)果以彩色等值線等圖形顯示出來(lái)，也可將計(jì)算結(jié)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(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力有限元分析，取得了良好的效果。
閥門(mén)制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)將是設(shè)計(jì)的競(jìng)爭(zhēng)。競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)是zui快地引入新技術(shù)、zui短的開(kāi)發(fā)周期和zui小的開(kāi)發(fā)成本。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論和方法已逐漸不能適應(yīng)指導(dǎo)現(xiàn)代設(shè)計(jì)活動(dòng)的要求。閥門(mén)行業(yè)市場(chǎng)和資源結(jié)構(gòu)的變化，對(duì)設(shè)計(jì)理論和方法提出了新的命題。在我國(guó)由制造業(yè)大國(guó)向制造業(yè)強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)的過(guò)程中。閥門(mén)制造業(yè)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)能力嚴(yán)重不足的狀況亟待改變。CAE方法作為可靠的設(shè)計(jì)手段．其應(yīng)用范圍已從對(duì)已設(shè)計(jì)產(chǎn)品性能的簡(jiǎn)單校核迅速擴(kuò)展到對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和加工過(guò)程的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。直到產(chǎn)品全生命周期的模擬。閥門(mén)制造業(yè)采用CAE技術(shù)。將大大提高閥門(mén)設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。并取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
