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CAE技術(shù)在閥門中的重要性以及運用
閱讀：902 發(fā)布時間：2017-5-9近年來，隨著計算機技術(shù)和計算方法的發(fā)展，計算機輔助設(shè)計已經(jīng)成為現(xiàn)代設(shè)計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作為一項跨學(xué)科的數(shù)值模擬分析技術(shù)，越來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，計算機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)到了實用化階段。
隨著世界制造業(yè)中心逐步向我國轉(zhuǎn)移，我國的閥門制造業(yè)也發(fā)生了一系列重大變化：（1）閥門產(chǎn)品呈現(xiàn)出大型化、高參數(shù)化、高可靠性、自動化、成套化等趨勢，且隨著數(shù)量越來越大，檔次也越來越高，技術(shù)密集及附加值大幅度提高；（2）生產(chǎn)模式由過去的大批量、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)由于受到市場壓力的作用。目前大多存在以銷定產(chǎn)的情況，供貨周期短，產(chǎn)品的質(zhì)量、交貨期和價格已成為影響企業(yè)競爭力的三個決定因素。以上這些特點，都為產(chǎn)品的設(shè)計技術(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，縮短開發(fā)和制造周期，降低成本，提高質(zhì)量，使企業(yè)具備很強的應(yīng)變能力，迅速響應(yīng)用戶的各項要求，并能根據(jù)科技發(fā)展和市場需求的變化，及時調(diào)整產(chǎn)品的類型和結(jié)構(gòu)。
CAE（ComputerAidedEngineering，即計算機輔助工程）技術(shù)，是指工程設(shè)計中的分析計算與分析仿真，具體包括工程數(shù)值分析、結(jié)構(gòu)與過程優(yōu)化設(shè)計、強度與壽命評估、運動、動力學(xué)仿真。工程數(shù)值分析用來分析確定產(chǎn)品的性能；結(jié)構(gòu)與過程優(yōu)化設(shè)計用來保證產(chǎn)品功能、工藝過程的基礎(chǔ)上，使產(chǎn)品、工藝過程的性能*；結(jié)構(gòu)強度與壽命評估用來評估產(chǎn)品的精度設(shè)計是否可行。可靠性如何以及使用壽命為多少；運動，動力學(xué)仿真用來對CAD建模完成的虛擬樣機進行運動學(xué)仿真和動力學(xué)仿真。從過程化、實用化技術(shù)發(fā)展的角度看，CAE的核心技術(shù)為有限元技術(shù)與虛擬樣機的運動，動力學(xué)仿真技術(shù)。對CAE作進一步分析，其具體的含義表現(xiàn)為以下幾個方面：
（1）運用工程數(shù)值分析中的有限元等技術(shù)分析計算產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形等物理場量，給出整個物理場量在空間與時間上的分布，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的從線性、靜力計算分析到非線性、動力的計算分析；
（2）運用過程優(yōu)化設(shè)計的方法在滿足工藝、設(shè)計的約束條件下，對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)、結(jié)構(gòu)形狀參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能、工藝過程達(dá)到*；
（3）運用結(jié)構(gòu)強度與壽命評估的理論、方法、規(guī)范，對結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性以及使用壽命做出評價與估計；
（4）運用運動，動力學(xué)的理論、方法，對由CAD實體造型設(shè)計出的機構(gòu)、整機進行運動，動力學(xué)仿真，給出機構(gòu)、整機的運動軌跡、速度、加速度以及動反力的大小等。
現(xiàn)代設(shè)計方法表明，產(chǎn)品設(shè)計雖然只占產(chǎn)品整個成本的5%，但它卻影響產(chǎn)品整個成本的70%。在設(shè)計過程中。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。對新產(chǎn)品的開發(fā)周期而言，產(chǎn)品設(shè)計占其周期的50%以上。統(tǒng)計資料表明。我國工程技術(shù)人員用于產(chǎn)品設(shè)計的工作量大約為40%，其余時間用在查閱技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、手冊和一些輔助工作上。而產(chǎn)品設(shè)計工作只有30%屬新產(chǎn)品開發(fā)。70%左右的設(shè)計都是在原有基礎(chǔ)上進行的。從閥門行業(yè)的情況看更是如此。另據(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年勞動部對200起壓力管道事故的原因分析顯示，設(shè)計原因占了11%?？梢姡O(shè)計工作在閥門制造業(yè)中的地位是非常重要的。近些年來的實踐證明，將數(shù)字化設(shè)計技術(shù)應(yīng)用于制造業(yè)，進行傳統(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)專家估計，由于現(xiàn)代科技的進步，今后15年制造技術(shù)的發(fā)展將超過以往的75年。
制造業(yè)的生命力在于產(chǎn)品的創(chuàng)新，閥門制造業(yè)也是如此。實現(xiàn)創(chuàng)新的關(guān)鍵。除了設(shè)計思想和概念之外，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于簡單化、通用化，真正量化的分析項目仍然要依靠專業(yè)的CAE軟件來解決。企業(yè)日益全面和多元化的需求，促成了數(shù)字化設(shè)計技術(shù)的發(fā)展。CAD和CAE這兩條并軌道之間的距離越來越近，CAD/CAE的集成化是發(fā)展的趨勢。CAE技術(shù)能夠給工業(yè)企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)帶來巨大的經(jīng)濟效益，這已成為不爭的事實。以ANSYS、LS-DYNA等為代表的CAE軟件早已活躍在各行各業(yè)中，將“基于物理樣機試驗的傳統(tǒng)設(shè)計方法”帶入基于“虛擬樣機仿真的現(xiàn)代設(shè)計方法”，將大幅度縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低成本，提高企業(yè)競爭力，
潛在的問題越早地得到解決，設(shè)計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)計階段，在零部件設(shè)計階段就應(yīng)該進行CAE分析。設(shè)計人員負(fù)責(zé)對自己設(shè)計的零部件進行分析，已成為企業(yè)的迫切需求。應(yīng)用CAE技術(shù)進行閥門的分析設(shè)計，將使閥門設(shè)計領(lǐng)域發(fā)生根本變革，推動閥門設(shè)計方法及設(shè)計技術(shù)的進步。
閥門制造業(yè)中，按照產(chǎn)品設(shè)計流程。CAE技術(shù)可在如下幾個步驟發(fā)揮作用：
(1)根據(jù)市場需求、產(chǎn)品功能及商業(yè)考慮等進行產(chǎn)品規(guī)劃、方案設(shè)計，CAE可以用來完成基礎(chǔ)設(shè)計的驗證、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)層進行產(chǎn)品決策提供參考，回答是否能夠在預(yù)定時間、預(yù)定成本等約束條件下開發(fā)出能滿足要求的產(chǎn)品的問題。這一階段主要進行較為詳細(xì)的、帶有一定目標(biāo)的預(yù)演。
(2)詳細(xì)設(shè)計階段
在這個階段，所有的設(shè)計將全部展開，從系統(tǒng)設(shè)計、裝配部件、子裝配、零件設(shè)計，直到圖紙、材料、制造工藝等。CAE分析在這個階段的作用，就是驗證各種部件是否能滿足預(yù)期的性能（如結(jié)構(gòu)強度、剛度、動力特性等），制造上是否可行。
(3)樣機試驗階段
試驗階段是設(shè)計完成后的關(guān)鍵階段，大多數(shù)企業(yè)（尤其特種閥門制造企業(yè)）艘是先制造物理樣機然后投入試驗。如果某些地方試驗失敗，就要重新設(shè)計，重新制造，重新試驗。如此反復(fù)直到定型通過。顯然，這樣反復(fù)多次的“設(shè)計、試驗、修改”過程，既耗費時間，費用又極為昂貴。如果采用CAE分析，樣機的數(shù)量和重新制造、重新試驗的次數(shù)必然會減少。在數(shù)字樣機的仿真試驗中發(fā)現(xiàn)問題，修改設(shè)計，與物理樣機相比，顯然其成本會降低很多。據(jù)統(tǒng)計，數(shù)字樣機的開發(fā)方式能夠減少一半以上的物理樣機制造和試驗，從而爭取到更多的時間，節(jié)約大量的費用。
更進一步。CAE仿真的數(shù)字樣機可以使物理試驗更快獲得通過。事實上，CAE分析可以“透視”整個樣機的試驗，顯示出所有檢測點的數(shù)據(jù)，設(shè)計人員可以通過軟件在實際試驗之前就掌握*測試方法和zui可能的載荷/激勵位置，從而顯著地減少試驗時間，盡可能避免在試驗現(xiàn)場進行“猜測”。
(4)產(chǎn)品測試評估階段
這一階段主要是利用CAE軟件對產(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的評價。從而為設(shè)計更改和產(chǎn)品的生產(chǎn)提供可靠依據(jù)。
通過一個例子?？梢钥吹綔p少物理樣機的制造和試驗，為企業(yè)帶來的收益。美國某汽車配件公司一直采用傳統(tǒng)的“設(shè)計、試驗、修改”方式進行配件設(shè)計。將CAE分析技術(shù)應(yīng)用到某些樣機試驗場合后，他們減少了50%的物理樣機以及試驗費用，而且還更快地完成了這些部件的設(shè)計、驗證工作。
CAE軟件是迅速發(fā)展中的計算力學(xué)、計算數(shù)學(xué)、相關(guān)的工程科學(xué)、工程管理學(xué)與現(xiàn)代計算技術(shù)相結(jié)合而形成的一種綜合性、知識密集型信息產(chǎn)品，主要以有限元法、有限差分法、有限體積法以及無網(wǎng)格法為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。目前國內(nèi)CAE技術(shù)以有限元法應(yīng)用。20世紀(jì)80年代初至今國內(nèi)有限元體系已發(fā)生兩次深刻的變化，近來隨著數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計概念逐漸深入人心，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：
（1）通用有限元分析軟件。ANSYS，NASTRAN、ABAQUS、MARC、ADINA等屬于這類軟件。
（2）有限元分析軟件。ADAMS、DADS、MSC/FATIGUE等屬于這類軟件。
（3）嵌套在CAD/CAE/CAM系統(tǒng)中的有限元分析模塊。之所以稱為模塊，是因為它們與設(shè)計軟件等集成為一體，在這種集成系統(tǒng)中，有限元分析在工程師所熟悉的設(shè)計環(huán)境下進行。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。功能沒有通用或有限元分析軟件那么強大全面，但是它們解決一般工程問題的能力也是很強的。其中，I-DEAS很有代表性。
現(xiàn)以ANSYS為例簡要說明CAE軟件的特點。ANSYS是zui大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發(fā)的。它能與多數(shù)CAD軟件接口，實現(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。能實現(xiàn)多場及多場耦合分析，具有多物理場優(yōu)化功能，良好的用戶開發(fā)環(huán)境。軟件主要包括前、后處理模塊和分析計算模塊三部分。前處理模塊提供實體建模及網(wǎng)格劃分工具，以便用戶構(gòu)造有限元模型；分析計算模塊包括結(jié)構(gòu)分析、流體動力學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，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；后處理模塊可將計算結(jié)果以彩色等值線等圖形顯示出來，也可將計算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。筆者在工作中采用ANSYS軟件進行結(jié)構(gòu)靜力有限元分析，取得了良好的效果。
閥門制造業(yè)的競爭將是設(shè)計的競爭。競爭的焦點是zui快地引入新技術(shù)、zui短的開發(fā)周期和zui小的開發(fā)成本。傳統(tǒng)的設(shè)計理論和方法已逐漸不能適應(yīng)指導(dǎo)現(xiàn)代設(shè)計活動的要求。閥門行業(yè)市場和資源結(jié)構(gòu)的變化，對設(shè)計理論和方法提出了新的命題。在我國由制造業(yè)大國向制造業(yè)強國邁進的過程中。閥門制造業(yè)新產(chǎn)品設(shè)計、開發(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)計手段．其應(yīng)用范圍已從對已設(shè)計產(chǎn)品性能的簡單校核迅速擴展到對產(chǎn)品設(shè)計和加工過程的準(zhǔn)確預(yù)測。直到產(chǎn)品全生命周期的模擬。閥門制造業(yè)采用CAE技術(shù)。將大大提高閥門設(shè)計質(zhì)量和效率。并取得顯著的經(jīng)濟效益。