搜索基于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展奠定了基礎。
為此,日本、法國等國家已經陸續開展了將CAD設計、數值模擬、物性分析等功能模塊進行整合的一體化CAE輔助設計系統的研究工作。
該系統由螺桿設計模塊、機頭/模具設計模塊、控制系統設計模塊、物料數據庫、設計性能模擬模塊、實驗數據-計算數據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、控制系統設計模塊為設計者提供了標準化的設計指導,以接近參數化設計的形式幫助設計者完成設計任務。
而物料數據庫、設計性能模擬模塊使得設計者可以根據用戶的物料情況,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。
圖1是日本Cybernet公司研發的橡塑加工機械輔助設計系統的框架示意圖。
實驗數據-計算數據對比模塊類似於專家系統,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。
該系統的優點在於:通過應用最新研究成果,構建一體化的CAE輔助設計系統,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,強調通過功能分析、用戶溝通來實現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、設計參數的標準化設置,明確用戶需求,為後續設計工作的開展設定基礎。
在產品設計階段,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、喂料系統設計、冷卻系統設計、其它系統設計等部分。這一階段設計與現有模具設計CAE系統的功能基本相同。
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。
國內很多高校及研究機構也在從事相關領域的研究,并研發出了一系列的應用性成果。圖2為華中科技大學研發的基於模塊化設計的注射模具輔助設計系統。
圖2 國內研發的注射模具輔助設計系統
此類設計系統的優點在於將創新設計理念結合到傳統裝備設計過程中,通過標準化、參數化、模塊化的設定,形成科學的產品設計流程,提高設計效率。但目前此類系統多應用於模具設計,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尚在研究與發展過程中。
基於故障及安全分析的輔助設計方法
生產安全向來是工業管理中相當重視的一個方面,除了在生產中嚴格管理之外,使用具有一定安全保證的生產機械也會為生產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線的安全生產標準。英國衛生與安全管理局(HSE)也發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設計中應用。該方法側重於分析部件設計對產品功能的影響,通過對產品一個部件的初始事件後果開始分析,逐步得到其後續事件,最後得到一個部件的功能實現狀態,及發生故障後對產品功能的影響。從而通過對不同設計方案的分析就可以模擬出整個系統(產品)的功能情況與發生某個故障的概率,進而通過更改設計或者其他手段提升功能,降低故障發生的概率。
圖3 基於FFDM方法的產品設計流程示意圖
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品功能和同類產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,從而得到產品的具體功能,將產品功能和產品可能故障通過類似產品已有故障聯系起來實現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,并開始在機械產品設計中應用。
隨著ETA、FFDM等一系列原本用於大系統、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品出現,尚需要一段時間。(end)
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