基于CAE/CAD/LCM的橡塑機械新型輔助設計方法

2013-06-23 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

基於CAE體系的整合設計方法

近年來,Pro-E、UG等三維CAD(計算機輔助設計)設計軟件與ANSYS、Moldflow等數(shù)值計算模擬軟件在橡塑加工機械設計領域的應用日益廣泛,這為基於CAE(計算機輔助工程)體系的整合設計方法的發(fā)展奠定了基礎。

為此,日本、法國等國家已經(jīng)陸續(xù)開展了將CAD設計、數(shù)值模擬、物性分析等功能模塊進行整合的一體化CAE輔助設計系統(tǒng)的研究工作。

該系統(tǒng)由螺桿設計模塊、機頭/模具設計模塊、控制系統(tǒng)設計模塊、物料數(shù)據(jù)庫、設計性能模擬模塊、實驗數(shù)據(jù)-計算數(shù)據(jù)對比模塊等功能模塊構成。

其中,基於橡塑加工理論的最新進展,螺桿設計模塊、機頭/模具設計模塊、控制系統(tǒng)設計模塊為設計者提供了標準化的設計指導,以接近參數(shù)化設計的形式幫助設計者完成設計任務。

而物料數(shù)據(jù)庫、設計性能模擬模塊使得設計者可以根據(jù)用戶的物料情況,對設計方案的應用效果進行計算機模擬,以檢測設計方案的可行性。

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圖1是日本Cybernet公司研發(fā)的橡塑加工機械輔助設計系統(tǒng)的框架示意圖。

實驗數(shù)據(jù)-計算數(shù)據(jù)對比模塊類似於專家系統(tǒng),通過對已有設計方案的理論計算結果和實際試驗結果進行分析,得出相應的修正分析,以指導以後的設計工作。

該系統(tǒng)的優(yōu)點在於:通過應用最新研究成果,構建一體化的CAE輔助設計系統(tǒng),提升了橡塑機械的設計效率。但不足之處是:用於進行設計方案計算模擬的核心軟件主要是現(xiàn)有有限元分析軟件,對設計者的理論基礎與計算機水平要求較高,這對系統(tǒng)的應用推廣帶來了一定的限制。

基於并行工程的輔助設計方法

基於并行工程的輔助設計方法更多的考慮到了不同用戶的需求差異,在標準設計方案的基礎上,強調(diào)通過功能分析、用戶溝通來實現(xiàn)專用設備的設計與制造。為了縮短設計、制造周期,降低成本,這種設計方法強調(diào)對設備設計方案進行功能模塊細分,通過模塊化設計方法盡可能多的提高現(xiàn)有標準部件的使用率,減少專用部件的設計、制造成本。

在設計實施中,強調(diào)設計者與用戶、設計者與設計者間的科學溝通,從而降低設計風險,以便在最短的時間內(nèi)完成設計任務。

法國INSA de Strasbourg- Lge Co研究所提出的模具并行設計體系將設計過程劃分為功能分析、產(chǎn)品設計、模具設計、過程實施等階段。

在功能分析階段,通過對設計要求、設計參數(shù)的標準化設置,明確用戶需求,為後續(xù)設計工作的開展設定基礎。

在產(chǎn)品設計階段,通過概念設計、材料選擇、功能設計、詳細設計等設計步驟的劃分,確保了設計相關人員、用戶間信息溝通的暢通,減少了重復勞動,降低了設計風險。

在模具設計階段,將設計過程細分為流道設計、喂料系統(tǒng)設計、冷卻系統(tǒng)設計、其它系統(tǒng)設計等部分。這一階段設計與現(xiàn)有模具設計CAE系統(tǒng)的功能基本相同。

在過程實施階段,將設計方案與用戶擬使用裝備的參數(shù)條件進行綜合分析,使用計算機模擬計算,檢測設計方案能否達到使用要求。

國內(nèi)很多高校及研究機構也在從事相關領域的研究,并研發(fā)出了一系列的應用性成果。圖2為華中科技大學研發(fā)的基於模塊化設計的注射模具輔助設計系統(tǒng)。

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圖2 國內(nèi)研發(fā)的注射模具輔助設計系統(tǒng)

此類設計系統(tǒng)的優(yōu)點在於將創(chuàng)新設計理念結合到傳統(tǒng)裝備設計過程中,通過標準化、參數(shù)化、模塊化的設定,形成科學的產(chǎn)品設計流程,提高設計效率。但目前此類系統(tǒng)多應用於模具設計,對於機械裝備、機組的設計,由於涉及因素多、功能要求復雜,具有實際應用性的輔助設計系統(tǒng)尚在研究與發(fā)展過程中。

基於故障及安全分析的輔助設計方法

生產(chǎn)安全向來是工業(yè)管理中相當重視的一個方面,除了在生產(chǎn)中嚴格管理之外,使用具有一定安全保證的生產(chǎn)機械也會為生產(chǎn)安全提供強有力的保證。

歐盟早在1997年就公布了關於塑料橡膠加工機械的系列安全標準,其中EN 1114-1:1997則是專門針對擠出機和擠出生產(chǎn)線的安全生產(chǎn)標準。英國衛(wèi)生與安全管理局(HSE)也發(fā)制品了塑料加工過程相關的系列文件,其中也著重探討了擠出設備的設備安全性。美國學者Robert Stone和 Irem Y. Tumer提出,在設備生命周期早期(即設計階段)進行充分的故障分析,可以最大程度上的減少設備使用隱患及故障,同時提高設備功能及使用效率。

因此,隨著功能、故障分析技術理論的快速發(fā)展,近年來,基於事件樹分析(ETA)、功能-故障設計(FFDM)、故障模式和影響分析(FMEA)、功能與故障樹分析(FTA)等的一系列分析方法,都開始在橡塑加工機械領域得到應用,并逐步推廣開來。

事件樹分析方法(ETA)是一種分析潛在風險存在及其可能後果的分析理論。這種分析方法最早使用在核反應堆的可靠性設計中,隨後開始在其他工業(yè)設計中應用。該方法側重於分析部件設計對產(chǎn)品功能的影響,通過對產(chǎn)品一個部件的初始事件後果開始分析,逐步得到其後續(xù)事件,最後得到一個部件的功能實現(xiàn)狀態(tài),及發(fā)生故障後對產(chǎn)品功能的影響。從而通過對不同設計方案的分析就可以模擬出整個系統(tǒng)(產(chǎn)品)的功能情況與發(fā)生某個故障的概率,進而通過更改設計或者其他手段提升功能,降低故障發(fā)生的概率。

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圖3 基於FFDM方法的產(chǎn)品設計流程示意圖

功能-故障設計方法(FFDM)是近年由美國學者R.B.Stone和I.Y.Tumer等人提出的一種基於產(chǎn)品功能和同類產(chǎn)品歷史情況分析的設計方法。該方法通過建立功能的黑箱模型,將設備整體功能要求逐步分解成一系列的功能黑箱模型,從而得到產(chǎn)品的具體功能,將產(chǎn)品功能和產(chǎn)品可能故障通過類似產(chǎn)品已有故障聯(lián)系起來實現(xiàn)自頂向下的機械設計。自2003年以來FFDM的設計原則和方法不斷完善,并開始在機械產(chǎn)品設計中應用。

隨著ETA、FFDM等一系列原本用於大系統(tǒng)、復雜工程的分析設計方法在橡塑加工機械設計領域的應用,為橡塑機械設計指出了新的發(fā)展模式。但目前此類應用尚處於研究階段,研究者主要集中在歐美的研究機構,成果多是理論的分析與研討,離具有實際應用性的產(chǎn)品出現(xiàn),尚需要一段時間。(end)

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