大型裝備制造業(yè)的CAE工程師都在做哪些仿真？

2018-04-03 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

CAE技術(shù)得到國(guó)內(nèi)外各大科研院所和公司的廣泛應(yīng)用,在提高產(chǎn)品質(zhì)量和建立產(chǎn)品開發(fā)能力方面,提供極大幫助。CAE技術(shù)可以為大型裝備的設(shè)計(jì)與制造提供涉及流場(chǎng)、結(jié)構(gòu)、熱、沖擊碰撞、爆炸等各種分析仿真功能,改善了產(chǎn)品質(zhì)量、加快研發(fā)歷程,并可以取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。CAE技術(shù)對(duì)重大裝備的設(shè)計(jì)及制造的作用是明顯的。其作用包括:

提高設(shè)計(jì)速度,減少設(shè)計(jì)成本;
增加產(chǎn)品和工程的可靠性;
在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)潛在的質(zhì)量問題;
經(jīng)過分析計(jì)算,采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,降低原材料的消耗或成本;
經(jīng)過分析計(jì)算,能夠精確的預(yù)測(cè)出產(chǎn)品的性能,并優(yōu)化重大裝備的操作性能,降低操作能耗;
縮短產(chǎn)品投向市場(chǎng)的時(shí)間;
模擬試驗(yàn)方案,減少試驗(yàn)次數(shù),從而減少試驗(yàn)時(shí)間和經(jīng)費(fèi);
進(jìn)行機(jī)械事故分析,查找事故原因。
在精確的分析結(jié)果下制造出高質(zhì)量的產(chǎn)品

因此,在國(guó)內(nèi)外的大型裝備設(shè)計(jì)與制造中,CAE已經(jīng)作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造流程中不可逾越的一種強(qiáng)制性的工藝規(guī)范加以實(shí)施,在生產(chǎn)實(shí)踐作為必備工具普遍應(yīng)用。主要應(yīng)用在如下幾個(gè)方面:

1、大型裝備的剛度、強(qiáng)度分析

剛度和強(qiáng)度分析作為裝備設(shè)計(jì)和制造的基礎(chǔ),需要經(jīng)常計(jì)算分析,包括各種零部件的剛度、強(qiáng)度分析,以及裝備整體的剛度強(qiáng)度分析。而隨著大型裝備的復(fù)雜性的提高,以及工作環(huán)境的多變,大量的計(jì)算不得不借助于CAE技術(shù)來輔助。以ANSYS Mechanical為平臺(tái),分析各種大型裝備總體結(jié)構(gòu)及其零部件在自身重力載荷、恒定工作載荷等的(共同)作用下的變形特點(diǎn)和變形值、應(yīng)力分布等,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),從而避免某些局部由于過大的應(yīng)力集中而損壞。

大型裝備制造業(yè)的CAE工程師都在做哪些仿真？ansys workbanch圖片1

2、大型裝備的結(jié)構(gòu)抗震與振動(dòng)性能分析

大型裝備在工作過程中通常會(huì)承受各種各樣的動(dòng)力載荷,比如,挖掘機(jī)挖掘過程中的瞬態(tài)沖擊、工程機(jī)械在復(fù)雜施工條件下的運(yùn)行等。同時(shí),大型裝備由于體積和質(zhì)量都較大,往往都是直接固定在地面上。在裝備運(yùn)行的過程中,如果設(shè)計(jì)不好。將會(huì)有大量的振動(dòng)和噪聲產(chǎn)生。同時(shí),由于大型裝備通常需要連續(xù)不斷的工作,還必須保證結(jié)構(gòu)的抗震性能。采用ANSYS Mechanical的動(dòng)力分析功能,可以定量地確定大型裝備總體結(jié)構(gòu)及其零部件能否承受這些沖擊載荷、承載壽命是多少等。同時(shí),ANSYS Mechanical的諧波響應(yīng)分析、單點(diǎn)和多點(diǎn)響應(yīng)譜分析、隨機(jī)振動(dòng)分析等動(dòng)態(tài)分析功能可以以非常簡(jiǎn)便的方式來計(jì)算出整個(gè)結(jié)構(gòu)在上述激勵(lì)載荷作用下的響應(yīng)問題。

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3、大型裝備的熱及熱應(yīng)力分析

大型裝備在設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行過程中,熱問題是比較嚴(yán)重的,這種溫度分布直接影響到機(jī)械的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能。利用ANSYS的熱分析模塊和流體力學(xué)分析模塊,可以全方位計(jì)算設(shè)備的溫度場(chǎng)分布,再利用前面的結(jié)構(gòu)分析功能,就可以計(jì)算在這種溫度分布下,結(jié)構(gòu)的所有力學(xué)特性(變形、應(yīng)力、壽命等)。通過熱分析與結(jié)構(gòu)力學(xué)分析功能的直接耦合,以及ANSYS的單元生死特性,可以仿真焊接過程,可以得到焊接過程的溫度分布、應(yīng)力分布、結(jié)構(gòu)變形以及焊接完成并冷卻后結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力和殘余變形,這對(duì)于確定焊接件的工作范圍、優(yōu)化焊接工藝等都具有直接的指導(dǎo)意義。

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4、大型裝備的減重優(yōu)化

對(duì)于大型裝備產(chǎn)品設(shè)計(jì),經(jīng)常給人的“傻、大、黑、粗”印象,可以利用CAE的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能 ( 形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)和拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì))來改變。拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)用在新產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)階段,根據(jù)產(chǎn)品或構(gòu)件的工作條件(載荷、與其它部件的連接等),可以用此功能設(shè)計(jì)出最佳的產(chǎn)品拓?fù)渫庑?形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)用于初始設(shè)計(jì)階段或改型設(shè)計(jì)階段,它根據(jù)用戶的要求(如最大應(yīng)力不能超過多少、壽命不能低于多少、尺寸不能小于或大于多少等)自動(dòng)改變結(jié)構(gòu)尺寸(如壁厚、倒角半徑、孔的半徑和位置等),使得所關(guān)心的量達(dá)到最佳值(如重量最輕、體積最小、應(yīng)力分布最均勻、壽命最長(zhǎng)等)。綜合利用這兩種優(yōu)化設(shè)計(jì)手段,可以全面改觀所設(shè)計(jì)的機(jī)械產(chǎn)品。

下面是對(duì)某挖掘機(jī)動(dòng)臂進(jìn)行減重優(yōu)化設(shè)計(jì)的效果:

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問題提出:對(duì)于挖掘機(jī),動(dòng)臂的機(jī)械性能關(guān)系到整機(jī)的工作能力,在保證動(dòng)臂的機(jī)械性能的前提下,減少動(dòng)臂的重量有助于降低生產(chǎn)成本,優(yōu)化設(shè)計(jì)。

優(yōu)化目標(biāo):動(dòng)臂重量

設(shè)計(jì)變量:動(dòng)臂結(jié)構(gòu)幾何尺寸(共計(jì)70)

性能約束:結(jié)構(gòu)強(qiáng)度(應(yīng)力)、結(jié)構(gòu)剛度、幾何相關(guān)性

優(yōu)化結(jié)果:

動(dòng)臂減重約40Kg,減重效果約為3%。

5、大型裝備的運(yùn)動(dòng)及控制分析

大型裝備是由大量的零部件裝配而成。大型裝備的正常工作需要設(shè)計(jì)到各個(gè)零部件之間的配合以及各種傳動(dòng)及控制。

首先進(jìn)行了鏈輪在三種工況下的剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,獲得鏈輪扭矩、輪齒嚙合力和鏈環(huán)連接力,并對(duì)比計(jì)算了不同間隙配合下鏈輪的運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性

其次對(duì)鏈輪進(jìn)行多柔體瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析,獲得輪齒動(dòng)態(tài)受力特性及應(yīng)力應(yīng)變情況,柔體分析的鏈窩應(yīng)力與剛體分析的輪齒接觸力分布是一致的

最后進(jìn)行了鏈輪鏈條接觸非線性分析,對(duì)鏈輪5個(gè)尺寸參數(shù)在最大嚙合力狀態(tài)下進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),優(yōu)化方案的最大應(yīng)力降低4%,塑性應(yīng)變降低41%

6、制造工藝

制造工藝過程仿真:利用ANSYS的高度非線性瞬態(tài)動(dòng)力分析模塊可以仿真諸如鑄造、鍛造、擠壓、輥壓、切削等多種多樣的成型過程。該模塊所具有的顯式動(dòng)力分析技術(shù)、ALE流固耦合分析技術(shù)、結(jié)構(gòu)溫度耦合分析技術(shù)使得其在這些成型過程方面具有很高的計(jì)算效率和計(jì)算精度,從而很好地指導(dǎo)這些成型過程的工藝設(shè)計(jì)、優(yōu)化工藝參數(shù)。

7、工業(yè)品再設(shè)計(jì)方案

再設(shè)計(jì)是一種全新的工程設(shè)計(jì)思想和方法。再設(shè)計(jì)就是讓研發(fā)設(shè)計(jì)回歸市場(chǎng)客戶需求本源,重新審視原有的設(shè)計(jì),以最自然的方式來探索設(shè)計(jì)的本質(zhì),效法自然。剔除以前由于各種原因或限制導(dǎo)致的不合理之處,或糾正以往對(duì)客戶需求的錯(cuò)誤認(rèn)知或滿足變差,重新設(shè)計(jì)核心零部件或整機(jī),達(dá)到當(dāng)前技術(shù)條件和認(rèn)知水平下的最優(yōu)。

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