CAE技术及其在阀门制造业中的应用

CAE技术及其在阀门制造业中的应用。近年来，随着计算机技术和计算方法的发展，计算机辅助设计已经成为现代设计方法的主要手段和工具。CAE技术和软件更是关键的技术要素之一。CAE作为一项跨学科的数值模拟分析技术，越来越受到科技界和工程界的重视。许多大型的CAE分析软件已相当成熟并已商品化，计算机模拟分析不仅在科学研究中普遍采用，而且在工程上也已达到了实用化阶段。 
    随着世界制造业中心逐步向我国转移，我国的阀门制造业也发生了一系列重大变化：（1）阀门产品呈现出大型化、高参数化、高可靠性、自动化、成套化等趋势，且随着数量越来越大，档次也越来越高，技术密集及附加值大幅度提高；（2）生产模式由过去的大批量、少品种向小批量、多品种以及按用户订货要求制造的方向发展，需求的多样化使产品结构日益复杂；（3）企业由于受到市场压力的作用。目前大多存在以销定产的情况，供货周期短，产品的质量、交货期和价格已成为影响企业竞争力的三个决定因素。以上这些特点，都为产品的设计技术提出了更高的要求。现代企业必须采用先进的技术手段，缩短开发和制造周期，降低成本，提高质量，使企业具备很强的应变能力，迅速响应用户的各项要求，并能根据科技发展和市场需求的变化，及时调整产品的类型和结构。 
    CAE（ComputerAidedEngineering，即计算机辅助工程）技术，是指工程设计中的分析计算与分析仿真，具体包括工程数值分析、结构与过程优化设计、强度与寿命评估、运动、动力学仿真。工程数值分析用来分析确定产品的性能；结构与过程优化设计用来保证产品功能、工艺过程的基础上，使产品、工艺过程的性能*优；结构强度与寿命评估用来评估产品的精度设计是否可行。可靠性如何以及使用寿命为多少；运动，动力学仿真用来对CAD建模完成的虚拟样机进行运动学仿真和动力学仿真。从过程化、实用化技术发展的角度看，CAE的核心技术为有限元技术与虚拟样机的运动，动力学仿真技术。对CAE作进一步分析，其具体的含义表现为以下几个方面： 
    （1）运用工程数值分析中的有限元等技术分析计算产品结构的应力、变形等物理场量，给出整个物理场量在空间与时间上的分布，实现结构的从线性、静力计算分析到非线性、动力的计算分析； 
    （2）运用过程优化设计的方法在满足工艺、设计的约束条件下，对产品的结构、工艺参数、结构形状参数进行优化设计，使产品结构性能、工艺过程达到*优； 
    （3）运用结构强度与寿命评估的理论、方法、规范，对结构的**性、可靠性以及使用寿命做出评价与估计； 
    （4）运用运动，动力学的理论、方法，对由CAD实体造型设计出的机构、整机进行运动，动力学仿真，给出机构、整机的运动轨迹、速度、加速度以及动反力的大小等。 
    现代设计方法表明，产品设计虽然只占产品整个成本的5%，但它却影响产品整个成本的70%。在设计过程中。如果确定了产品结构、零件形状、材料及精度，则产品成本的70%～80%将被确定。对新产品的开发周期而言，产品设计占其周期的50%以上。统计资料表明。我国工程技术人员用于产品设计的工作量大约为40%，其余时间用在查阅技术标准、手册和一些辅助工作上。而产品设计工作只有30%属新产品开发。70%左右的设计都是在原有基础上进行的。从阀门行业的情况看更是如此。另据资料显示，几乎50%~90%结构或零部件的失效都是由于材料疲劳引起的。据1996年劳动部对200起压力管道事故的原因分析显示，设计原因占了11%。可见，设计工作在阀门制造业中的地位是非常重要的。近些年来的实践证明，将数字化设计技术应用于制造业，进行传统制造业的改造，是现代制造业发展的必由之路。据专家估计，由于现代科技的进步，今后15年制造技术的发展将超过以往的75年。 
    制造业的生命力在于产品的**，阀门制造业也是如此。实现**的关键。除了设计思想和概念之外，*主要的就是技术保障。即采用先进可靠的CAD/CAE软件。但大部分CAD软件中的分析模块功能过于简单化、通用化，真正**量化的分析项目仍然要依靠专业的CAE软件来解决。企业日益**和多元化的需求，促成了数字化设计技术的发展。CAD和CAE这两条并轨道之间的距离越来越近，CAD/CAE的集成化是发展的趋势。CAE技术能够给工业企业产品研发带来巨大的经济效益，这已成为不争的事实。以ANSYS、LS-DYNA等为代表的**CAE软件早已活跃在全球各行各业中，将“基于物理样机试验的传统设计方法”带入基于“虚拟样机仿真的现代设计方法”，将大幅度缩短产品开发周期，降低成��，提高企业竞争力， 
    潜在的问题越早地得到解决，设计的成本与周期的降低效果越明显。因此，CAE分析应该提前到概念设计阶段，在零部件设计阶段就应该进行CAE分析。设计人员负责对自己设计的零部件进行分析，已成为企业的迫切需求。应用CAE技术进行阀门的分析设计，将使阀门设计领域发生根本变革，推动阀门设计方法及设计技术的进步。 
    阀门制造业中，按照产品设计流程。CAE技术可在如下几个步骤发挥作用： 
    (1)根据市场需求、产品功能及商业考虑等进行产品规划、方案设计，CAE可以用来完成基础设计的验证、不同方案的比较。满足功能、性能方面的要求。并为企业领导层进行产品决策提供参考，回答是否能够在预定时间、预定成本等约束条件下开发出能满足要求的产品的问题。这一阶段主要进行较为详细的、带有一定目标的预演。 

    (2)详细设计阶段 
    在这个阶段，所有的设计将全部展开，从系统设计、装配部件、子装配、零件设计，直到图纸、材料、制造工艺等。CAE分析在这个阶段的作用，就是验证各种部件是否能满足预期的性能（如结构强度、刚度、动力特性等），制造上是否可行。 

    (3)样机试验阶段 
    试验阶段是设计完成后的关键阶段，大多数企业（尤其特种阀门制造企业）艘是先制造物理样机然后投入试验。如果某些地方试验失败，就要重新设计，重新制造，重新试验。如此反复直到定型通过。显然，这样反复多次的“设计、试验、修改”过程，既耗费时间，费用又极为昂贵。如果采用CAE分析，样机的数量和重新制造、重新试验的次数必然会减少。在数字样机的仿真试验中发现问题，修改设计，与物理样机相比，显然其成本会降低很多。据统计，数字样机的开发方式能够减少一半以上的物理样机制造和试验，从而争取到更多的时间，节约大量的费用。 
    更进一步。CAE仿真的数字样机可以使物理试验更快获得通过。事实上，CAE分析可以“透视”整个样机的试验，显示出所有检测点的数据，设计人员可以通过软件在实际试验之前就掌握*佳测试方法和*可能的载荷/激励位置，从而显著地减少试验时间，尽可能避免在试验现场进行“猜测”。 

    (4)产品测试评估阶段 
    这一阶段主要是利用CAE软件对产品成本、产品性能、产品质量和加工特性作出**真实的评价。从而为设计更改和产品的生产提供可靠依据。 
    通过一个例子。可以看到减少物理样机的制造和试验，为企业带来的收益。美国某汽车配件公司一直采用传统的“设计、试验、修改”方式进行配件设计。将CAE分析技术应用到某些样机试验场合后，他们减少了50%的物理样机以及试验费用，而且还更快地完成了这些部件的设计、验证工作。 
    CAE软件是迅速发展中的计算力学、计算数学、相关的工程科学、工程管理学与现代计算技术相结合而形成的一种综合性、知识密集型信息产品，主要以有限元法、有限差分法、有限体积法以及无网格法为数学基础。目前国内CAE技术以有限元法应用*为广泛。20世纪80年代初至今国内有限元体系已发生两次深刻的变化，近来随着数字化产品设计概念逐渐深入人心，第三次有限元技术的应用浪潮正在形成。基于有限元法的CAE应用软件可分为三类： 
    （1）通用有限元分析软件。ANSYS，NASTRAN、ABAQUS、MARC、ADINA等属于这类软件。 
    （2）专用有限元分析软件。ADAMS、DADS、MSC/FATIGUE等属于这类软件。 
    （3）嵌套在CAD/CAE/CAM系统中的有限元分析模块。之所以称为模块，是因为它们与设计软件等集成为一体，在这种集成系统中，有限元分析在工程师所熟悉的设计环境下进行。有限元分析是CAE的主要支撑，I-DEAS、Pro/ENGINEER、UNIGRAPHICS等。 
    CAD/CAE/CAM系统中的有限元分析模块。功能没有通用或专用有限元分析软件那么强大**，但是它们解决一般工程问题的能力也是很强的。其中，I-DEAS很有代表性。 
    现以ANSYS为例简要说明CAE软件的特点。ANSYS是*大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发的。它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，是经典CAE工具，在现代产品设计中广泛使用，又是**具有中文界面的大型通用有限元软件。能实现多场及多场耦合分析，具有多物理场优化功能，良好的用户开发环境。软件主要包括前、后处理模块和分析计算模块三部分。前处理模块提供实体建模及网格划分工具，以便用户构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线等图形显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。笔者在工作中采用ANSYS软件进行结构静力有限元分析，取得了良好的效果。 
    阀门制造业的竞争将是设计的竞争。竞争的焦点是*快地引入新技术、*短的开发周期和*小的开发成本。传统的设计理论和方法已逐渐不能适应指导现代设计活动的要求。阀门行业市场和资源结构的变化，对设计理论和方法提出了新的命题。在我国由制造业大国向制造业强国迈进的过程中。阀门制造业新产品设计、开发能力严重不足的状况亟待改变。CAE方法作为高效可靠的设计手段．其应用范围已从对已设计产品性能的简单校核迅速扩展到对产品设计和加工过程的准确预测。直到产品全生命周期的**模拟。阀门制造业采用CAE技术。将大大提高阀门设计质量和效率。并取得显著的经济效益。