應(yīng)對“時(shí)間就是市場”商業(yè)環(huán)境的壓鑄關(guān)鍵技術(shù)

2017-01-07  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

“時(shí)間就是市場” (Time To Market, TTM),對工業(yè)界而言,這是一個(gè)嶄新而又永恒的話題,既是挑戰(zhàn),也是各大廠商的發(fā)展目標(biāo)。隨著社會的進(jìn)步與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,這一主題將更為突出。例如,去年全球有500個(gè)新車型上市,平均2天就有一款新車呈現(xiàn)在您的面前。又如惠普公司,80%以上的利潤來源于新近不超過兩年的產(chǎn)品。所以,快速、高效地開發(fā)新產(chǎn)品是競爭取勝的一個(gè)關(guān)鍵因素。

和其他行業(yè)一樣,鑄造業(yè)也正經(jīng)受著前所未有的挑戰(zhàn)。歸結(jié)起來,這種挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在:

1. 人才短缺,且員工流失率高,這對壓鑄業(yè)的發(fā)展帶來了嚴(yán)重的影響。以長三角、珠三角為例,這一帶累計(jì)有近萬臺壓鑄機(jī),對壓鑄人才需求極大。但技術(shù)人員流動性大,社會上又缺乏扎實(shí)的基礎(chǔ)理論培訓(xùn)體系和機(jī)構(gòu),嚴(yán)重影響著技術(shù)人員水平的提升。

2. 企業(yè)普遍依賴于少數(shù)有經(jīng)驗(yàn)的師傅。由于壓鑄技術(shù)參數(shù)難以控制,并互相影響,解決問題要靠經(jīng)驗(yàn)累積,而目前高等院校有鑄造專業(yè)的已經(jīng)不多,而深入的壓鑄課程培訓(xùn)基本沒有。

3. 壓鑄在職業(yè)競爭中并不具備太大優(yōu)勢,而且需要長時(shí)間培訓(xùn),對年青人吸引力較低。

4. 對國際買家來說,中國是生產(chǎn)成本低的地區(qū),適宜在此尋找平價(jià)產(chǎn)品;但對高要求的買家,他們會擔(dān)心質(zhì)量問題而選擇其他區(qū)域。這種認(rèn)識上的偏差,使得壓鑄產(chǎn)業(yè)一直在低水平徘徊,也阻礙了壓鑄產(chǎn)業(yè)的升級。

在未有大量的經(jīng)驗(yàn)技術(shù)人才出現(xiàn)之時(shí),系統(tǒng)化的計(jì)算機(jī)軟件將是最有效而實(shí)用的工具,這不僅可建立一套模具設(shè)計(jì)及壓鑄技術(shù)的知識系統(tǒng),同時(shí)亦可讓新一代的技術(shù)人員及模具工程師更快地掌握。本文擬針對“時(shí)間就是市場”這一商業(yè)環(huán)境中的特點(diǎn),對突破壓鑄企業(yè)所面臨困境的有效關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行討論,并側(cè)重在企業(yè)信息技術(shù)的應(yīng)用方面。

1,產(chǎn)品可制造性評估

產(chǎn)品可制造性評估(Design For Manufacturing, DFM)是伴隨“時(shí)間就是市場”和“質(zhì)量就是市場(Quality For Market, QFM)”商業(yè)環(huán)境的直接產(chǎn)物。由于產(chǎn)品的實(shí)效性和高質(zhì)量要求,所以必須在產(chǎn)品設(shè)計(jì)層面就加以把控。這種意義體現(xiàn)在最終產(chǎn)品的“舒暢制造”和價(jià)格優(yōu)化上。

主機(jī)廠在設(shè)計(jì)的過程中,首要關(guān)注的是產(chǎn)品的功能與結(jié)構(gòu)。但由于設(shè)計(jì)員經(jīng)驗(yàn)和精力的局限,某些產(chǎn)品并未能充分考慮其可制造性,從而大大增加了工藝設(shè)計(jì)的難度。如果能從新產(chǎn)品的初步規(guī)劃起,就展開DFM分析,通過全面的評估并及時(shí)修改產(chǎn)品設(shè)計(jì),就能得到可制造的最佳設(shè)計(jì)方案,為一次設(shè)計(jì)即能生產(chǎn)制造提供了可能。這樣,在提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)也縮短了開發(fā)周期。

然而,DFM分析所面臨的問題也不言而喻。首先,高度依賴于工程師的經(jīng)驗(yàn),并且處于市場前端的往往是銷售工程師,對制造工藝的了解非常有限;其次,缺乏必要的軟件手段,目前存在的DFM軟件寥寥無幾,且基本上是以往制造數(shù)據(jù)是羅列,面臨新產(chǎn)品則無從下手。再次,采用目前的三維CAD軟件缺乏足夠的分析能力,如只能手動切取橫斷面進(jìn)行評估,不僅耗費(fèi)時(shí)間精力也容易忽視一些重要的特征。最后,這種評估的模式往往需要在前端銷售人員、產(chǎn)品報(bào)價(jià)人員和后端模具設(shè)計(jì)工程師中頻繁交互討論和修訂,不僅效率低下而且在面臨新客戶時(shí)完全沒有靈活性。

Geo-Designer 是Cast-Designer軟件包中專為產(chǎn)品工程師和模具設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)的先端協(xié)同 DFM 分析工具。借助于 Geo-Designer產(chǎn)品工程師能在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段,考慮產(chǎn)品功能性的同時(shí),也充分考慮可制造性,使設(shè)計(jì)成果迅速轉(zhuǎn)化為批量生產(chǎn)。相比傳統(tǒng)的工具與手段,Geo-Designer 提供了強(qiáng)大的分析功能,簡便與快捷的操作模式,使用戶通過改善設(shè)計(jì)階段的質(zhì)量而節(jié)省開發(fā)和生產(chǎn)成本。

Geo-Designer能快速、簡單、準(zhǔn)確地確定三維產(chǎn)品模型的關(guān)鍵區(qū)域,與產(chǎn)品需求進(jìn)行比對,進(jìn)而指導(dǎo)工藝設(shè)計(jì)。Geo-Designer能分析的內(nèi)容包括鑄件的基本信息(重量、體積、各方向投影面積)、質(zhì)量分布檢查、冷卻速率分析、壁厚檢查、澆冒口設(shè)計(jì)、拔模斜度分析、產(chǎn)品倒角探測、產(chǎn)品重量優(yōu)化和EDM加工確認(rèn)、熱分布指數(shù)、頂出力大小分布、滑塊檢查等。而另一個(gè)非常突出的優(yōu)點(diǎn)是,Geo-Designer非常容易使用,即使是銷售人員和產(chǎn)品報(bào)價(jià)人員,也能輕松應(yīng)對。

質(zhì)量分布是工業(yè)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要關(guān)注點(diǎn),產(chǎn)品厚度決定了零件關(guān)鍵區(qū)域的性能表現(xiàn),無論從制造工藝、材料流動、還是零件強(qiáng)度與壽命都是如此。通常要獲得理想的零件厚度對設(shè)計(jì)人員是一個(gè)很大的挑戰(zhàn),尤其是在設(shè)計(jì)與工藝頻繁變更的過程中引起的厚度變化更是如此。更為復(fù)雜的是,在實(shí)際復(fù)雜產(chǎn)品中,產(chǎn)品厚度是一個(gè)三維的量,用質(zhì)量分布(Mass Distribution)來表征更為合適。

下圖顯示了某個(gè)汽車零件的X光探傷圖,顯示了多處的“縮孔”缺陷,這些問題并不僅是來源于生產(chǎn)的制造鏈過程,如模具設(shè)計(jì)和產(chǎn)品壓鑄。其實(shí)早在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段,先天性的產(chǎn)品質(zhì)量設(shè)計(jì)不良就埋下了隱患。由此可見,“更好的產(chǎn)品設(shè)計(jì),是設(shè)計(jì)與制造出優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的源頭”。

圖一:產(chǎn)品的質(zhì)量分布與Geo-Designer DFM預(yù)測的結(jié)果 (左圖:X光探傷的照片 右圖:Geo-Designer的質(zhì)量分布指數(shù), 整個(gè)分析過程只需要5分鐘) (資料來源:通用汽車)

增強(qiáng)鑄件的DFM評估,并非僅是主機(jī)廠的責(zé)任。對模具開發(fā)早期,也有著重要的意義。這些信息將直接影響到模具工藝設(shè)計(jì)的方案選擇,例如確定內(nèi)澆口的位置、設(shè)定第三相保壓來消除縮孔、優(yōu)化冷卻管道排布(帶走模具局部熱量達(dá)到溫度平衡)、預(yù)先設(shè)計(jì)局部擠壓銷等特殊模具結(jié)構(gòu)來減少或消除縮孔缺陷、設(shè)定滑塊和頂針的位置等等。

2,盡最大努力設(shè)計(jì)好流道

壓鑄產(chǎn)品的好壞,很大程度決定于流道設(shè)計(jì)。其進(jìn)澆的方式、位置與排布、流道模式與尺寸等,都有著舉足輕重的作用。流道設(shè)計(jì)的優(yōu)劣,直接影響產(chǎn)品的生產(chǎn)性、缺陷與品質(zhì)和生產(chǎn)效率。

2.1 專家系統(tǒng)的引入

“80%的產(chǎn)品質(zhì)量問題,來源于工藝設(shè)計(jì)的好壞”,流道設(shè)計(jì)可以說是壓鑄模工藝設(shè)計(jì)中的核心部分。目前,流道設(shè)計(jì)仍然是一項(xiàng)依賴工程師經(jīng)驗(yàn)的工作。工程師往往會運(yùn)用書本上的一些經(jīng)驗(yàn)公式,通過Excel表格等工具,計(jì)算出一些鑄造的工藝參數(shù)。再通過三維CAD軟件,完成造型設(shè)計(jì)。這種基于經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì),為鑄造業(yè)帶來前所未有的挑戰(zhàn)。同時(shí),現(xiàn)有的CAD軟件只提供了三維造型能力,無法計(jì)算出設(shè)計(jì)所必須的鑄造工藝參數(shù),也不能把計(jì)算好的參數(shù)與CAD造型聯(lián)動,更不能給出流道設(shè)計(jì)方案的建議。有鑒于此,引入流道設(shè)計(jì)專家系統(tǒng),采取規(guī)范化設(shè)計(jì)非常必要。

CAST-DESIGNER是C3P Software針對壓鑄行業(yè)專門開發(fā)的壓鑄模流道設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)。其內(nèi)置了流道設(shè)計(jì)專家系統(tǒng),并提出“基于工程經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)”概念,屬于知識型(Knowledge-based)的設(shè)計(jì)產(chǎn)品。利用這個(gè)軟件,三十分鐘即可完成包括澆鑄系統(tǒng)、溢流槽和排氣系統(tǒng)以及冷卻水道的設(shè)計(jì)。

圖二是Cast-Designer流道設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)向?qū)?通過輸入鑄件的基本信息(如重量、壁厚、材質(zhì)等),程序?qū)⒔o出一系列的鑄造工藝參數(shù)最佳建議數(shù)值,其中包括最佳充型時(shí)間范圍、內(nèi)澆口速度范圍、內(nèi)澆口面積與厚度等,用戶可以直接采用或微調(diào)確認(rèn)。在選擇壓鑄機(jī)之后,能快速對一速、二速及臨界切換點(diǎn)、整個(gè)流道的加速比等提供參數(shù)建議,并能實(shí)時(shí)調(diào)整,形成最后的截面積設(shè)計(jì)方案。最后通過PQ圖對設(shè)計(jì)方案與壓鑄設(shè)備和模具進(jìn)行即時(shí)校驗(yàn),匹配出最佳的模具/設(shè)備組合。

對于復(fù)雜鑄件,Cast-Designer有一個(gè)鑄件分區(qū)設(shè)計(jì)功能,可以計(jì)算出每個(gè)內(nèi)澆口的金屬量和截面積以及金屬流動距離,優(yōu)化后能讓整個(gè)充型過程更加平穩(wěn),避免金屬液不平衡和包卷產(chǎn)生的缺陷。

圖二: Cast-Designer流道設(shè)計(jì)向?qū)?左)和P-Q圖用于實(shí)時(shí)校驗(yàn)設(shè)計(jì)方案(右)

2.2 基于經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì),是設(shè)計(jì)而非畫圖

理論上說,任何三維CAD軟件(如CATIA, 西門子NX, Creo或PRO-E, SOLIDWORKS等)都能進(jìn)行壓鑄模流道設(shè)計(jì),但這些都是通用的CAD系統(tǒng),功能強(qiáng)大但并不專業(yè),特別是進(jìn)行壓鑄模流道設(shè)計(jì)時(shí)非常費(fèi)時(shí)費(fèi)力且對使用者的要求很高。在企業(yè)中的應(yīng)用狀況是“一直在用但一直用不好”。

圖三, CAD流道設(shè)計(jì)方法與Cast-Designer 流道設(shè)計(jì)的比較 (左圖:采用Siemens NX/UG設(shè)計(jì)的流道,工程師具備4年設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),設(shè)計(jì)時(shí)間4小時(shí),但橫截面積控制并不合理; 右圖:采用Cast-Designer設(shè)計(jì)的流道,工程師只有1年設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),設(shè)計(jì)時(shí)間只有半小時(shí)并能完美地控制流道截面積和加速比)

嚴(yán)格的講,第一步的概念設(shè)計(jì)是在腦海里形成的而不是在電腦中完成的,這就是我們所說的草圖或構(gòu)思。草圖設(shè)計(jì)是CAST-DESIGNER中一個(gè)比較有特色的功能,因?yàn)檫@種設(shè)計(jì)更接近自然中的設(shè)計(jì)模式。這里的草圖并不是通常CAD軟件中所謂的草圖,而是真正意義上的草圖,或者通俗的講就是在草稿紙上畫圖。其作用原理大致如下:用戶在使用CAD進(jìn)行流道設(shè)計(jì)前,先在平面圖紙上根據(jù)零件的二維視圖或工程圖大致鉤畫出流道的走向和大小,形成一個(gè)比較整體的布局,作為將來三維設(shè)計(jì)的參考。然后將草圖掃描或拍照到電腦,再采用CAST-DESIGNER轉(zhuǎn)化為矢量圖,進(jìn)行后續(xù)的設(shè)計(jì)。這種方法是值得推崇的,特別是對比較復(fù)雜的零件。日常工作中,我們也經(jīng)常需要幾個(gè)工程師一起商量設(shè)計(jì)原則并確定方案,而紙質(zhì)討論無疑是最有效和最便捷的。

另外一個(gè)可圈可點(diǎn)的亮點(diǎn)是一鍵式流道設(shè)計(jì)功能,這是Cast-Designer的一個(gè)獨(dú)立設(shè)計(jì)模塊,也可以說是完成了幾代人的夢想。一鍵式流道設(shè)計(jì)事實(shí)上就是利用經(jīng)驗(yàn)知識庫進(jìn)行設(shè)計(jì),把常用的流道進(jìn)行分類并形成經(jīng)驗(yàn)知識庫,然后數(shù)字化,以后碰到類似的產(chǎn)品即可直接調(diào)用,這樣充分借鑒了以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)并大大縮短了設(shè)計(jì)和操作的時(shí)間。采用這種模式,往往幾分鐘就可以看到一個(gè)設(shè)計(jì)的雛形,在對工程設(shè)計(jì)上是夢寐以求的。Cast-Designer中特別設(shè)立了一種特別的語言CDGL支持客戶定制,用戶可以無限擴(kuò)充。

圖四, Cast-Designer內(nèi)置的一鍵式流道設(shè)計(jì)模板

2.3 反復(fù)比對并擇優(yōu)選取設(shè)計(jì)方案才有進(jìn)步

任何一個(gè)設(shè)計(jì),要獲得優(yōu)秀的結(jié)果,必須在多個(gè)方案中反復(fù)比較并擇優(yōu)選取。Cast-Designer提供諸多便利和快捷的設(shè)計(jì)手段。目的在與將用戶從繁瑣的CAD畫圖中解放出來思索更多更好的設(shè)計(jì)。從而防止永遠(yuǎn)局限在一個(gè)方案的禁錮中。

此外,采用這類屬于知識型(Knowledge-based)的產(chǎn)品,不僅能在較短的時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)出專業(yè)的澆注系統(tǒng)直接為設(shè)計(jì)和生產(chǎn)服務(wù),對企業(yè)而言既是一個(gè)培訓(xùn)的過程也是一個(gè)累積的過程。長期地使用這類系統(tǒng),能為企業(yè)累積和建立一套標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)規(guī)則,逐漸擺脫對人的過分依賴。

3,采用前端分析技術(shù)進(jìn)行方案評估

即使是采用專家系統(tǒng)指導(dǎo)下設(shè)計(jì)的流道系統(tǒng),仍有必要進(jìn)行即一步的分析和評估,因?yàn)榻?jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)也好,專家系統(tǒng)也罷都是基于有限度的樣本進(jìn)行歸納總結(jié)的,而新的產(chǎn)品與這些樣本想必總存在這樣那樣的差別。在進(jìn)一步的分析方法中,其中一種行之有效的方法就是現(xiàn)代的CAE技術(shù)。

3.1采用前端分析的工業(yè)需求與迫切性

在當(dāng)今的工業(yè)企業(yè)中,CAD與CAE技術(shù)已經(jīng)不再是陌生的名詞。事實(shí)證明,在設(shè)計(jì)階段,經(jīng)過充分的驗(yàn)證,可減少模具制造并投入生產(chǎn)之后才出現(xiàn)的產(chǎn)品缺陷問題。因此,許多的企業(yè)都已經(jīng)相繼引入了各種商業(yè)模擬軟件并應(yīng)用到實(shí)際的工作流程中,期盼節(jié)約成本,縮短周期。但很快就會發(fā)現(xiàn),從三維數(shù)模開始,網(wǎng)格劃分建立分析模型,到最后獲得分析結(jié)果,需要2~3天的時(shí)間。如果設(shè)計(jì)方案需要變更,分析就要花1周以上的時(shí)間了,還沒有等結(jié)果出來,模具都開好了。這就失去了預(yù)測和指導(dǎo)方案修改的意義了。

傳統(tǒng)CAE軟件產(chǎn)品的開發(fā)大都起源于上世紀(jì)90年代,當(dāng)時(shí)的商業(yè)環(huán)境和今天并不一樣,當(dāng)時(shí)的信息技術(shù)與環(huán)境也和今天大不相同。所以大多數(shù)CAE軟件的精力集中在功能開發(fā)上,而對用戶的使用觀感和使用效率上則基本不予重視。

面對“時(shí)間就是市場”的挑戰(zhàn),傳統(tǒng)的CAE分析已經(jīng)無法滿足大部分企業(yè)對開模時(shí)間的要求。所以,普遍只用于不容有失的核心模具開發(fā)中,或者是上游廠商強(qiáng)烈要求CAE分析報(bào)告的時(shí)候,才應(yīng)付了事。更有甚者,則淪為擺設(shè),多年不用。

前端分析技術(shù)是最近幾年在全球廣泛使用的熱門應(yīng)用,其美妙之處在于能在產(chǎn)品和模具設(shè)計(jì)的初期,如概念設(shè)計(jì)階段迅速地提供有效的分析結(jié)果和改進(jìn)指導(dǎo)。因?yàn)樵谶@一階段,需要測試的設(shè)計(jì)思路和方案很多,一種快速而有效的工具就顯得尤為重要。事實(shí)上在這一階段,對分析結(jié)果的精確度雖有要求并非特別苛刻,因?yàn)樵S多因素還無法完全確定,相比之下,分析效率則顯得非常關(guān)鍵。這也是在沒有前端分析技術(shù)之前工業(yè)界采用傳統(tǒng)的數(shù)值模擬方法卻并不能非常有效地解決這一階段問題的根源所在。

前端分析與傳統(tǒng)的CAE分析的任務(wù)與目的并不完全相同,更不是傳統(tǒng)CAE分析的簡化,下表給出了壓鑄設(shè)計(jì)中前端分析與傳統(tǒng)CAE分析各個(gè)階段的對照。

工作起點(diǎn)

(Start point) 建模時(shí)間

(Modeling) 分析時(shí)間

(Analysis time) 結(jié)果精確度

(Result accuracy)

傳統(tǒng)CAE分析方法 近乎完美的三維CAD數(shù)據(jù),包含澆注系統(tǒng)、溢流槽、冷卻系統(tǒng)甚至是完整的模具,對CAD數(shù)據(jù)質(zhì)量要求較高。 耗時(shí)較長且復(fù)雜,必須經(jīng)過專門培訓(xùn)。CAD清理、建立網(wǎng)格和設(shè)置分析模型并非易事。設(shè)置計(jì)算模型還需要更多的物理參數(shù)與熱學(xué)條件,有些參數(shù)獲得并不容易。 很長!根據(jù)模型大小,通常需要幾小時(shí)到十幾個(gè)小時(shí),有時(shí)甚至幾天的時(shí)間。對計(jì)算機(jī)的要求很高。 可獲得相對較高的計(jì)算精度,前提是輸入的各項(xiàng)參數(shù)正確。但設(shè)置正確的參數(shù)經(jīng)驗(yàn)性很強(qiáng),而且需要反復(fù)測試和校驗(yàn)。結(jié)果豐富(如溫度場、流動場、應(yīng)力場等)

前端分析方法 只需要鑄件的三維CAD數(shù)據(jù)?？刹捎每焖倭鞯老到y(tǒng)建立澆注系統(tǒng)、溢流槽和冷卻系統(tǒng)等。同時(shí)也可接受STL數(shù)據(jù)格式。對原始數(shù)據(jù)質(zhì)量要求較低。可以邊分析邊修改CAD數(shù)據(jù)。 非常簡便和快速。幾分鐘內(nèi)可對任何復(fù)雜或不干凈的模型完成網(wǎng)格劃分。設(shè)置計(jì)算條件非常簡便,幾分鐘即可完成所有設(shè)置并完全參數(shù)化。無需特別培訓(xùn)。非?？?30分鐘到一個(gè)半小時(shí)即可獲得分析結(jié)果。 能獲得合理精度的充填和凝固分析結(jié)果,完全滿足前期設(shè)計(jì)與方案選擇階段的精度需求。獲得的結(jié)果同樣豐富(如溫度場、流動場、應(yīng)力場等)。

3.2技術(shù)手段:有限元分析技術(shù)

計(jì)算力學(xué)業(yè)已在應(yīng)用中逐步形成自己的理論和方法。有限元法(FEM)和有限差分方法(FDM/FVM)是比較有代表性的方法,這兩種方法各有自己的特點(diǎn)和適用范圍。有限元法主要應(yīng)用于固體力學(xué),有限差分方法先前則主要應(yīng)用于流體力學(xué)。但近年來這種狀況已發(fā)生變化,它們正在互相交叉和滲透,特別是有限元法在流體力學(xué)中的應(yīng)用日趨廣泛。

有限元法和有限差分方法的區(qū)別是有限元法的函數(shù)是變化的,計(jì)算比較復(fù)雜的情況,計(jì)算量比較大;而有限差分方法的函數(shù)是不變的,計(jì)算通過變步長來實(shí)現(xiàn),計(jì)算比較簡單的情況,計(jì)算量比較的小。從功能上看,許多鑄造軟件大都基于有限差分法,可以對砂型鑄造、金屬型鑄造、精密鑄造、壓力鑄造等多種工藝進(jìn)行溫度場、流場的數(shù)值模擬,并可以預(yù)測鑄件的縮孔、縮松等缺陷,但對應(yīng)力場的模擬及裂紋的預(yù)測顯得力不從心。

從壓鑄分析的角度來看,采用有限元分析方法是具有巨大優(yōu)越性的:

1) 壓鑄件幾何形狀復(fù)雜,且多為薄壁件,有限元分析方法能進(jìn)行更好的幾何表征;

2) 有限元分析方法能夠進(jìn)行流場、溫度場、應(yīng)力場的三場耦合計(jì)算。與有限差分法(FDM)相比,進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算時(shí),無需使用兩套網(wǎng)格和網(wǎng)格映射。有限元法具有較大的靈活性,特別適用于模擬復(fù)雜鑄件成型過程中的各種物理現(xiàn)象。

3) 采用有限元方法能使用混合網(wǎng)格技術(shù),且容許較大的元素大小比值,這樣有利于優(yōu)化模型大小,獲得較高的有效模擬比(鑄件元素?cái)?shù)/整體模型元素?cái)?shù)),從而提高模擬效率。比如說,在有限差分元方法中,考慮整個(gè)模具的網(wǎng)格數(shù)通常在千萬數(shù)量級,而在同等精度下,有限元模型可以降低到近百萬到一兩百萬的數(shù)量。這樣不僅計(jì)算時(shí)間要節(jié)省,而且避免了龐大模型所造成的后處理困境。

圖五, FEM網(wǎng)格與FDM網(wǎng)格分析技術(shù)的比較 (左圖)3D CAD幾何 (中圖)Cast-Designer FEM網(wǎng)格,網(wǎng)格數(shù)301,510 (右圖) FDM網(wǎng)格,網(wǎng)格數(shù)in 4,803,845.

圖六, FEM網(wǎng)格與FDM網(wǎng)格分析技術(shù)的比較, 切面圖。紅線表示CAD幾何輪廓(參考基準(zhǔn)),藍(lán)色線條代表網(wǎng)格。左圖,Cast-Designer FEM網(wǎng)格,整體網(wǎng)格數(shù)301,510。即使采用比較稀疏的網(wǎng)格,仍能非常優(yōu)秀地表征幾何。右圖:FDM網(wǎng)格,整體網(wǎng)格數(shù)4,803,845。即使采用非常密集的網(wǎng)格,仍可明顯看出其對CAD的表征欠佳。

誠然,有限元法在具備巨大優(yōu)越性的同時(shí)也伴隨著諸多的挑戰(zhàn)。其中一個(gè)最大的挑戰(zhàn)就是網(wǎng)格劃分特別是復(fù)雜網(wǎng)格的裝配。許多有限元分析的軟件都是因?yàn)檫@一瓶頸未能突破而功敗垂成。

3.3幾何數(shù)據(jù)兼容性與網(wǎng)格技術(shù)

如上所述,網(wǎng)格劃分在有限元鑄造分析中是一個(gè)瓶頸問題和難點(diǎn),能否攻克這一問題和最終實(shí)施是否便利是軟件產(chǎn)品能否真正為工業(yè)服務(wù)的關(guān)鍵。

通過長期的研究和探索,Cast-Designer成功地開發(fā)了一種全新的網(wǎng)格技術(shù),將傳統(tǒng)的非隨形網(wǎng)格和隨形網(wǎng)格劃分手段巧妙地結(jié)合在一起,形成了獨(dú)一無二的網(wǎng)格劃分模式。其主要特點(diǎn)有:

1) 幾何相容性高。能接受各種原始幾何數(shù)據(jù),如三維實(shí)體CAD數(shù)據(jù),STL數(shù)據(jù)或CAD實(shí)體與STL的混合數(shù)據(jù)。由于制造鏈本身的原因,模具制造企業(yè)往往獲得的是OEM廠商的轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù),不可避免地會發(fā)生數(shù)據(jù)丟失或不完整。 在這方面, Cast-Designer表現(xiàn)出驚人的相容性。即使原始數(shù)據(jù)不完整或有所丟失,內(nèi)置的幾何核心都能全自動的重構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并進(jìn)行修復(fù)和還原。

2) 自動幾何跟蹤和網(wǎng)格映射。為了追求幾何的完美和準(zhǔn)確表述,Cast-Designer內(nèi)置了獨(dú)特的幾何跟蹤技術(shù)和網(wǎng)格映射技術(shù),這樣,即使采用簡單的網(wǎng)格,也能非常完美的進(jìn)行幾何表征。

3) 混合網(wǎng)格與全自動網(wǎng)格裝配技術(shù)。通過采用混合網(wǎng)格,能大大提高模型的計(jì)算效率。在Cast-Designer中,支持六面體元素,三棱柱元素和三棱錐元素,這樣可以對鑄件采取六面體網(wǎng)格或三棱錐網(wǎng)格,而對模具則采取能結(jié)束較大元素比的三棱錐網(wǎng)格。比如圖七中的例子就非常有效率。

圖七, Cast-Designer中的混合網(wǎng)格技術(shù)

同樣,這種技術(shù)也可以應(yīng)用在全套模具的網(wǎng)格裝配上。用戶定義模具的各個(gè)組件后,系統(tǒng)就能全自動的進(jìn)行網(wǎng)格裝配,包括鑄件,動模,定模,滑塊,水道和其他附屬結(jié)構(gòu)。這種功能具有非常高的技術(shù)水準(zhǔn),以前這樣的工作往往需要數(shù)天甚至數(shù)周的純手工作業(yè),現(xiàn)在一個(gè)簡單的按鈕就完成了。當(dāng)然,這中操作對機(jī)器的要求也比較高,通常8G的內(nèi)存是標(biāo)準(zhǔn)配置。

圖八, Cast-Designer中網(wǎng)格裝配技術(shù)

左圖:整套模具的三維CAD幾何 中圖:Cast-Designer 劃分的各部件網(wǎng)格并進(jìn)行了自動裝配。其中鑄件采用六面體網(wǎng)格,網(wǎng)格數(shù)240,788個(gè)元素。定模包括 750,200 個(gè)三棱錐元素,動模包括 682,000個(gè)三棱錐元素。 右圖: 顯示局部的鑄件與模具的網(wǎng)格連接關(guān)系。

4) 此外,還有一些專門針對鑄造和壓鑄的網(wǎng)格技術(shù)。如局部網(wǎng)格技術(shù)用于保護(hù)復(fù)雜的高曲率或薄壁幾何特征;自動分層技術(shù)保障流動模擬的順暢性;自動網(wǎng)格質(zhì)量檢查與修復(fù)用于控制網(wǎng)格的質(zhì)量等。

3.4 CAD驅(qū)動模擬分析

CAE模擬技術(shù)是分析驗(yàn)證的核心,包括充填模擬,凝固模擬和應(yīng)力變形模擬。但這方面已經(jīng)有非常成熟的技術(shù)和諸多的論述,限于篇幅,本文不再重復(fù)。

在應(yīng)對“時(shí)間就是市場”的分析模擬中,還有一項(xiàng)非常重要的技術(shù)就是CAD驅(qū)動模擬分析。由于鑄造產(chǎn)品可能隨著客戶的需求而進(jìn)行各種微調(diào)與改變,如果每一改變都要用戶進(jìn)行一次全新的建模和模擬,則還是非常繁瑣。Cast-Designer有一個(gè)特殊的MCAD模塊,可以直接掛在現(xiàn)有的CAD系統(tǒng)中,采用獨(dú)特的技術(shù)將CAE流動分析、熱傳導(dǎo)和凝固分析完全集成在客戶現(xiàn)有的MCAD用戶環(huán)境中, 讓產(chǎn)品設(shè)計(jì)師、模具設(shè)計(jì)師在第一時(shí)間同時(shí)參與到工程決策中來。

這種全集成系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于,可以讓你的CAD幾何數(shù)據(jù)直接驅(qū)動整個(gè)模擬過程。當(dāng)你在CAD環(huán)境中(如NX, Creo或SolidWorks中)對幾何進(jìn)行了修改, 只需一個(gè)按鍵和數(shù)十秒鐘的等待,你的CAE模型也就相應(yīng)地進(jìn)行了修改。從而可以直接提交求解器進(jìn)行模擬分析。

圖九, 采用Cast-Designer的流道設(shè)計(jì)與分析系統(tǒng)進(jìn)行方案對比

4,重視從產(chǎn)品,到設(shè)計(jì)到整個(gè)制造鏈的系統(tǒng)工程

除以上提到的DFM分析,流道設(shè)計(jì)與方案驗(yàn)證等技術(shù)外,在鑄造過程中牽涉的其他技術(shù)還很多。特別是在設(shè)計(jì)階段就對整個(gè)制造鏈有嚴(yán)重影響的一些因素,限于篇幅,本文抽取其中的幾點(diǎn)進(jìn)行簡單的說明。

4.1快速冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)周期評估

冷卻系統(tǒng)在鑄件生產(chǎn)過程中,發(fā)揮非常關(guān)鍵的作用。其設(shè)計(jì)的好壞會直接影響產(chǎn)品的品質(zhì)(如縮孔疏松和應(yīng)力變形等),也直接影響生產(chǎn)效率。而且,冷卻水道一旦被加工好后,修改非常困難,傳統(tǒng)的物理試錯方式,難以獲得平衡的溫度及冷卻效率。數(shù)值模擬能預(yù)測冷卻系統(tǒng)對熱的影響,但建模與分析都過于繁瑣且需時(shí)太長,對實(shí)際設(shè)計(jì)指導(dǎo)意義不大。Cast-Designer中有一個(gè)專門的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)和快速分析模塊,為冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供專業(yè)的建議,僅需幾分鐘到十幾分鐘即可對冷卻效率進(jìn)行詳盡的檢查與評估。

4.2產(chǎn)品變形與應(yīng)力分析

對于薄壁件或超薄件,鑄件變形是不可忽視的,也是工程師最頭痛的問題。為了在鑄造過程中有效分析預(yù)測裂紋傾向、變形和殘余應(yīng)力,從而為鑄造工藝設(shè)計(jì)人員提供改進(jìn)、優(yōu)化工藝的科學(xué)依據(jù),保證鑄件尺寸精度及穩(wěn)定性,提高鑄件質(zhì)量, 對鑄件進(jìn)行應(yīng)力和變形分析是非常必要的。

利用有限元技術(shù),能輕松完成耦合計(jì)算,包括熱、流動和應(yīng)力。應(yīng)力分析包括了熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力。采用應(yīng)力分析可以分析出殘余應(yīng)力、塑性變形、熱裂和鑄件最終形狀等。

對于一些非常復(fù)雜幾何的鑄造,在以上應(yīng)力和變形的基礎(chǔ)上還可以提出變形補(bǔ)償,通過逐步迭代的方式求出預(yù)先的幾何形狀。

4.3產(chǎn)品壽命與耦合分析

對于一些質(zhì)量要求很高的產(chǎn)品,耦合分析是必要的,比如鑄造缺陷對產(chǎn)品壽命和碰撞性能的影響。這樣,可以采用鑄造模擬軟件對鑄造過程中的卷氣、縮孔和應(yīng)力等進(jìn)行分析,并將鑄造產(chǎn)品的缺陷與應(yīng)力信息傳輸給其他結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行產(chǎn)品性能的進(jìn)一步評估。一般而言,縮孔等宏觀缺陷較鑄造應(yīng)力的影響更大。在軟件上,這要求軟件具有非常完備的數(shù)據(jù)接口和協(xié)同分析能力。

5,結(jié)論與建議

面對日新月異的市場變化,汽車、3C和各種消費(fèi)產(chǎn)品的更新?lián)Q代非常迅速,產(chǎn)品外觀也越來越時(shí)尚和復(fù)雜,如何在有限的設(shè)計(jì)周期內(nèi),獲得高質(zhì)量的設(shè)計(jì),成了一線廠家的制勝之道。而要達(dá)到這一目標(biāo),除了要有豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)外,也要依靠科學(xué)的工具。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段,我們?nèi)绾斡行У靥崆斑M(jìn)入進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)和制造性評估是順暢將來設(shè)計(jì)和鑄造的關(guān)鍵;在模具設(shè)計(jì)階段,我們?nèi)绾芜M(jìn)行整個(gè)流道方案的設(shè)計(jì),通過控制入水方式與位置、流道橫截面積、調(diào)整溢流槽的排布達(dá)到我們預(yù)想的流動狀態(tài)和消除缺陷;應(yīng)用前端設(shè)計(jì)分析技術(shù)的意義在于,從流道的快速設(shè)計(jì),到鑄造過程的模擬預(yù)測,再到方案修改,都能把控在1到2個(gè)小時(shí)內(nèi)。這樣,我們幾乎能在一個(gè)工作日內(nèi),完成4到5個(gè)流道方案的評估,從中確定最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

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