方案 | CAE仿真技術(shù)在大型裝備制造行業(yè)的應用

2018-03-27 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

CAE技術(shù)得到國內(nèi)外各大科研院所和公司的廣泛應用,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)計與制造提供涉及流場、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)濟效益。CAE技術(shù)對重大裝備的設(shè)計及制造的作用是明顯的。其作用包括:

提高設(shè)計速度,減少設(shè)計成本;

增加產(chǎn)品和工程的可靠性;

在產(chǎn)品的設(shè)計階段發(fā)現(xiàn)潛在的質(zhì)量問題;

經(jīng)過分析計算,采用優(yōu)化設(shè)計方案,降低原材料的消耗或成本;

經(jīng)過分析計算,能夠精確的預測出產(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)品投向市場的時間;

模擬試驗方案,減少試驗次數(shù),從而減少試驗時間和經(jīng)費;

進行機械事故分析,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,在國內(nèi)外的大型裝備設(shè)計與制造中,CAE已經(jīng)作為產(chǎn)品設(shè)計與制造流程中不可逾越的一種強制性的工藝規(guī)范加以實施,在生產(chǎn)實踐作為必備工具普遍應用。主要應用在如下幾個方面:

1、大型裝備的剛度、強度分析

剛度和強度分析作為裝備設(shè)計和制造的基礎(chǔ),需要經(jīng)常計算分析,包括各種零部件的剛度、強度分析,以及裝備整體的剛度強度分析。而隨著大型裝備的復雜性的提高,以及工作環(huán)境的多變,大量的計算不得不借助于CAE技術(shù)來輔助。以ANSYS Mechanical為平臺,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)作用下的變形特點和變形值、應力分布等,在此基礎(chǔ)上進行改進,從而避免某些局部由于過大的應力集中而損壞。

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某機床體的變形分析機床系統(tǒng)應力結(jié)果

2、大型裝備的結(jié)構(gòu)抗震與振動性能分析

大型裝備在工作過程中通常會承受各種各樣的動力載荷,比如,挖掘機挖掘過程中的瞬態(tài)沖擊、工程機械在復雜施工條件下的運行等。同時,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。在裝備運行的過程中,如果設(shè)計不好。將會有大量的振動和噪聲產(chǎn)生。同時,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,ANSYS Mechanical的諧波響應分析、單點和多點響應譜分析、隨機振動分析等動態(tài)分析功能可以以非常簡便的方式來計算出整個結(jié)構(gòu)在上述激勵載荷作用下的響應問題。

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某加工中心震動分析結(jié)果機械加工臺系統(tǒng)震動響應分析

3、大型裝備的熱及熱應力分析

大型裝備在設(shè)計、制造、運行過程中,熱問題是比較嚴重的,這種溫度分布直接影響到機械的結(jié)構(gòu)力學性能。利用ANSYS的熱分析模塊和流體力學分析模塊,可以全方位計算設(shè)備的溫度場分布,再利用前面的結(jié)構(gòu)分析功能,就可以計算在這種溫度分布下,結(jié)構(gòu)的所有力學特性(變形、應力、壽命等)。通過熱分析與結(jié)構(gòu)力學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)的殘余應力和殘余變形,這對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意義。

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機床夾具在冷卻液的影響下的變形切削過程中工件溫度場分布

4、大型裝備的減重優(yōu)化

對于大型裝備產(chǎn)品設(shè)計,經(jīng)常給人的“傻、大、黑、粗”印象,可以利用CAE的優(yōu)化設(shè)計功能 ( 形狀優(yōu)化設(shè)計和拓撲優(yōu)化設(shè)計)來改變。拓撲優(yōu)化設(shè)計用在新產(chǎn)品的概念設(shè)計階段,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)計出最佳的產(chǎn)品拓撲外型;形狀優(yōu)化設(shè)計用于初始設(shè)計階段或改型設(shè)計階段,它根據(jù)用戶的要求(如最大應力不能超過多少、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)心的量達到最佳值(如重量最輕、體積最小、應力分布最均勻、壽命最長等)。綜合利用這兩種優(yōu)化設(shè)計手段,可以全面改觀所設(shè)計的機械產(chǎn)品。

下面是對某挖掘機動臂進行減重優(yōu)化設(shè)計的效果:

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

優(yōu)化目標:動臂重量

設(shè)計變量:動臂結(jié)構(gòu)幾何尺寸(共計70)

性能約束:結(jié)構(gòu)強度(應力)、結(jié)構(gòu)剛度、幾何相關(guān)性

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優(yōu)化結(jié)果:

動臂減重約40Kg,減重效果約為3%。

5、大型裝備的運動及控制分析

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)計到各個零部件之間的配合以及各種傳動及控制。

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礦用刮板輸送機鏈輪系統(tǒng)剛/柔力學分析及優(yōu)化設(shè)計

首先進行了鏈輪在三種工況下的剛體運動學分析,獲得鏈輪扭矩、輪齒嚙合力和鏈環(huán)連接力,并對比計算了不同間隙配合下鏈輪的運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性

其次對鏈輪進行多柔體瞬態(tài)動力學分析,獲得輪齒動態(tài)受力特性及應力應變情況,柔體分析的鏈窩應力與剛體分析的輪齒接觸力分布是一致的

最后進行了鏈輪鏈條接觸非線性分析,對鏈輪5個尺寸參數(shù)在最大嚙合力狀態(tài)下進行優(yōu)化設(shè)計,優(yōu)化方案的最大應力降低4%,塑性應變降低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算效率和計算精度,從而很好地指導這些成型過程的工藝設(shè)計、優(yōu)化工藝參數(shù)。

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7、工業(yè)品再設(shè)計方案

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

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