大连重工用CAE仿真技术提升产品创新设计水平

　　1. CAE仿真技术概述

　　CAE（Computer Aided Engineering计算机辅助工程仿真）是目前国内外产品研发、产品创新设计中不可或缺的先进的设计手段和设计方法。当前，我国的设计制造企业大都采用了计算机辅助设计（CAD），计算机辅助工程仿真（CAE），以及计算机辅助制造技术（CAM）进行产品设计和制造；有的企业甚至实现了CAD/CAE/CAM技术一体化集成，做到了无纸化设计和加工制造，使产品的研发能力和创新能力获得明显的增强，做到研发手段与国外同行业基本接轨。在这个过程当中，CAE仿真技术起着巨大的推动作用。与以往相比，CAE仿真的作用不只是配角，更不是事后校核计算；而是参与设计的全过程，包括通过计算评估原设计方案，设计方案的改进和优化，最终确定一套最优或最合理的设计方案，它不仅满足用户使用功能要求，而且也满足产品结构本身的应力、变形、稳定性和振动等设计功能要求，真正提高产品设计质量和使用可靠性。

　　CAE仿真分析正是解决上述设计功能要求的利器。一般情况下，CAE仿真分析主要完成的工作包括：发现设计缺陷（譬如图纸尺寸错误，零部件间干涉等）、减少自重（譬如减小板厚，简化结构等）、增加强度、优化零部件结构和尺寸、优化性能、选择恰当材料、检查安全要素等。

　　CAE仿真分析基本方法，是利用成熟的数学、力学算法，将一个连续的物理对象划分成多个离散而相互关联的对象，即有限单元方法；并根据给定的工况、边界条件，计算出各单元节点的力、变形、热、振动、声学等特性，最终依据设计计算的标准对计算结果进行评估分析并确认设计方案，或提出修改意见。一般包括：静力学各要素、应力/位移、温度、模态、振动/固有频率、其它(热传递、非线性材料、屈曲、噪声、优化、动态响应)等部分。

　　2. CAE仿真技术在产品生命周期中的作用

　　CAE仿真分析在整个产品生命周期都可以发挥重要作用，为企业创造巨大的效益。

　　每一种产品从概念（初步）设计，技术设计，详细设计等直到报废，都有一个生命周期。仿真分析在这个周期的各个阶段都可以创造效益，重点是在设计早期，在机床、工装、原材料准备等重大的投入之前，保证设计的正确性，避免浪费和失误，而且为制造、销售、后期支持服务等阶段提供良好的保证。

　　2.1 概念(初步)设计阶段的仿真分析

　　概念设计阶段，需要根据市场需求、产品功能、及商务投标考虑等进行产品规划和方案设计。此时，CAE仿真分析可以为设计人员提供用户基础设计的验证、不同投标方案的比较计算与分析，并为企业决策者进行产品决策和商务决策提供参考；它能够回答企业是否在预定的时间、预定的成本以及现有的设备能力等约束条件下完成用户需求的开发设计和制造任务。

　　2.2 详细(工作图)设计阶段的仿真分析

　　在这个阶段，所有的设计将全部展开，从系统设计、部件装配、子部件装配、零件设计，直到图纸、材料、制造工艺等。CAE仿真分析在这个阶段的作用，就是验证各种零部件是否满足预期的性能、制造上是否可行，已有的加工设备是否满足结构设计要求（譬如板厚及半径等），工艺步骤或者工装是否最简化等等，而且从系统到单个零件都可以进行仿真。这些工作主要由结构分析工程师和设计工程师以及制造工艺师一起参与完成。

　　2.3 试验阶段的仿真分析

　　试验阶段是设计完成后的关键阶段。大多数企业都是先制造物理样机，投入试验，如果某些地方试验失败，则重新设计、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，又极为昂贵。

　　如果采用计算机仿真分析，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仿真分析可以预先模拟现场使用环境和条件，使物理试验更快获得通过。事实上，仿真分析可以“透视”整个样机的试验，显示出所有检测点的数据，测试工程师利用仿真软件，在实际试验之前就掌握最佳测试方法和最可能的载荷/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”。

　　2.4 制造阶段的仿真分析

　　这个阶段是产品实际制造的阶段。通过仿真计算可以进一步确认工艺步骤，可以优化制造的工艺流程、减少废料；可以针对加工错误进行演算，通过修改图纸尺寸来保证交货期，避免废品和返修。

　　3.CAE仿真技术在企业主导产品中的应用

　　3.1 新型三车翻车机使用CAE仿真技术规避专利壁垒

　　新型三车翻车机是我们公司为秦皇岛港务局六公司设计制造的。为了规避专利壁垒，其主钢结构设计时在满足强度、刚度要求的前提下，一定要有别于国内外同类产品。譬如三大梁和端环主钢结构形式改变以后，其强度和刚度能否满足设计要求，结构自重是否最轻，材料利用率是否合理等等，这些问题都是通过使用CAE技术来解决的。同国外现有同类设备相比，该翻车机具有转子钢结构和主体钢结构设计新颖、靠车和压车装置设计独特等特点，可以大幅提高三车翻车机的使用寿命且维护简单、性能优越，打破了国外知识产权技术壁垒，为提倡以技术创新拉动市场经营开了先河。该新型翻车机与现有三车翻车机相比翻车机的转子钢结构采用三梁两端环的结构形式，其他各件均采用全箱形结构；各梁同端环的连接处均采用变截面梁结构；采用平台两侧伸出支架用于压车的布置，可降低钢结构应力值并可方便使用维护；靠板装置使用变截面的凹槽结构，靠板长度可满足铁路要求，并可以解决三梁结构电磁脉冲的布置问题；翻车机靠车油缸采用磁尺控制，解决目前国内外翻车机靠板的同步问题。为解决三梁结构靠板油缸的布置问题，靠板油缸采用套入式，即在靠板侧梁后部把和的结构。新开发设计的三车翻车机转子钢结构的最高计算应力值为78MPa，远低于美国Dravo三车的168MPa和英国H&S三车的186MPa。

　　在整个翻车机的方案设计都是在CAE优化技术的指导下完成的，CAE分析工程师和设计工程师密切配合，不但优化了整体结构，更加减少了局部应力集中，解决了使用寿命和维护性两个本质性问题。

　　应该说，我们自主开发设计的新型三车翻车机代表了目前大型翻车机设计的最高水平。通过使用CAE仿真优化技术既规避了已有的专利壁垒，又使得我们获得自主的知识产权，申请了专利保护。

　　3.2首钢京唐钢铁公司300吨铁水车车架CAE仿真优化

　　首钢京唐钢铁公司钢铁厂300吨铁水车上车架，载荷为450吨。原设计方案最大应力为127MPa，最大变形为12.7mm。车架所用材料为Q345钢材，按照正常的计算标准，在厚度不超过50mm的情况下其许用应力为196.7MPa，考虑1.3的冲击系数，许用应力为151.3MPa。

　　为了增加中标几率、降低成本、提高材料利用效率，我们使用CAE仿真技术对原设计

　　方案进行了13次结构优化仿真计算，并依据优化计算结果的确定最终方案。

　　该方案中主梁盖板和立板厚度不变，隔板由30减小为20；横梁和中间联系梁盖板由50减小为40，立板由40减小为30，隔板由40减小为30；去掉两端小的联系梁；其他联系梁均改为150宽工字梁，盖板30，立板20；端部除主梁部分外，盖板由50减小为40，立板由40减小为30；中间弯折处加箱形，上盖板30，立板20，下盖板50；中间拐角处箱形盖板和立板均由30减小为20；整个车架上部遮挡板由16减小为8。

　　优化方案车架最大应力142MPa，最大变形13.8mm，材料的利用效率得到有效提高。

　　原始方案和优化方案数据对比：

　　效益非常明显。

　　我们有理由相信，CAE仿真优化技术必将在公司产品创新设计和优化降成本中发挥巨大的作用。

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