方案 | CAE仿真技術在大型裝備制造行業的應用

2018-03-27 by:CAE仿真在線來源:互聯網

CAE技術得到國內外各大科研院所和公司的廣泛應用,在提高產品質量和建立產品開發能力方面,提供極大幫助。CAE技術可以為大型裝備的設計與制造提供涉及流場、結構、熱、沖擊碰撞、爆炸等各種分析仿真功能,改善了產品質量、加快研發歷程,并可以取得良好的經濟效益。CAE技術對重大裝備的設計及制造的作用是明顯的。其作用包括:

提高設計速度,減少設計成本;

增加產品和工程的可靠性;

在產品的設計階段發現潛在的質量問題;

經過分析計算,采用優化設計方案,降低原材料的消耗或成本;

經過分析計算,能夠精確的預測出產品的性能,并優化重大裝備的操作性能,降低操作能耗;

縮短產品投向市場的時間;

模擬試驗方案,減少試驗次數,從而減少試驗時間和經費;

進行機械事故分析,查找事故原因。

在精確的分析結果下制造出高質量的產品

因此,在國內外的大型裝備設計與制造中,CAE已經作為產品設計與制造流程中不可逾越的一種強制性的工藝規范加以實施,在生產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計和制造的基礎,需要經常計算分析,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,以及工作環境的多變,大量的計算不得不借助于CAE技術來輔助。以ANSYS Mechanical為平臺,分析各種大型裝備總體結構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。

某機床體的變形分析機床系統應力結果

2、大型裝備的結構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,如果設計不好。將會有大量的振動和噪聲產生。同時,由于大型裝備通常需要連續不斷的工作,還必須保證結構的抗震性能。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構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分析功能可以以非常簡便的方式來計算出整個結構在上述激勵載荷作用下的響應問題。

某加工中心震動分析結果機械加工臺系統震動響應分析

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構力學性能。利用ANSYS的熱分析模塊和流體力學分析模塊,可以全方位計算設備的溫度場分布,再利用前面的結構分析功能,就可以計算在這種溫度分布下,結構的所有力學特性(變形、應力、壽命等)。通過熱分析與結構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、結構變形以及焊接完成并冷卻后結構的殘余應力和殘余變形,這對于確定焊接件的工作范圍、優化焊接工藝等都具有直接的指導意義。

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、大型裝備的減重優化

對于大型裝備產品設計,經常給人的“傻、大、黑、粗”印象,可以利用CAE的優化設計功能 ( 形狀優化設計和拓撲優化設計)來改變。拓撲優化設計用在新產品的概念設計階段,根據產品或構件的工作條件(載荷、與其它部件的連接等),可以用此功能設計出最佳的產品拓撲外型;形狀優化設計用于初始設計階段或改型設計階段,它根據用戶的要求(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)自動改變結構尺寸(如壁厚、倒角半徑、孔的半徑和位置等),使得所關心的量達到最佳值(如重量最輕、體積最小、應力分布最均勻、壽命最長等)。綜合利用這兩種優化設計手段,可以全面改觀所設計的機械產品。

下面是對某挖掘機動臂進行減重優化設計的效果:

問題提出:對于挖掘機,動臂的機械性能關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成本,優化設計。

優化目標:動臂重量

設計變量:動臂結構幾何尺寸(共計70)

性能約束:結構強度(應力)、結構剛度、幾何相關性

優化結果:

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計到各個零部件之間的配合以及各種傳動及控制。

礦用刮板輸送機鏈輪系統剛/柔力學分析及優化設計

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、輪齒嚙合力和鏈環連接力,并對比計算了不同間隙配合下鏈輪的運轉平穩性

其次對鏈輪進行多柔體瞬態動力學分析,獲得輪齒動態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個尺寸參數在最大嚙合力狀態下進行優化設計,優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、ALE流固耦合分析技術、結構溫度耦合分析技術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計、優化工藝參數。