CAE技術(shù)及其在閥門(mén)制造業(yè)中的應用

　　近年來(lái)，隨著(zhù)計算機技術(shù)和計算方法的發(fā)展，計算機輔助設計已經(jīng)成為現代設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)科的數值模擬分析技術(shù)，越來(lái)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到了實(shí)用化階段。

　　隨著(zhù)世界制造業(yè)中心逐步向我國轉移，我國的閥門(mén)制造業(yè)也發(fā)生了一系列重大變化：

　　(1)閥門(mén)產(chǎn)品呈現出大型化、高參數化、高可靠性、自動(dòng)化、成套化等趨勢，且隨著(zhù)數量越來(lái)越大，檔次也越來(lái)越高，技術(shù)密集及附加值大幅度提高；

　　(2)生產(chǎn)模式由過(guò)去的大批量、少品種向小批量、多品種以及按用戶(hù)訂貨要求制造的方向發(fā)展，需求的多樣化使產(chǎn)品結構日益復雜；

　　(3)企業(yè)由于受到市場(chǎng)壓力的作用。目前大多存在以銷(xiāo)定產(chǎn)的情況，供貨周期短，產(chǎn)品的質(zhì)量、交貨期和價(jià)格已成為影響企業(yè)競爭力的三個(gè)決定因素。

　　以上這些特點(diǎn)，都為產(chǎn)品的設計技術(shù)提出了更高的要求�，F代企業(yè)必須采用先進(jìn)的技術(shù)手段，縮短開(kāi)發(fā)和制造周期，降低成本，提高質(zhì)量，使企業(yè)具備很強的應變能力，迅速響應用戶(hù)的各項要求，并能根據科技發(fā)展和市場(chǎng)需求的變化，及時(shí)調整產(chǎn)品的類(lèi)型和結構。

　　CAE（Computer  Aided Engineering，即計算機輔助工程）技術(shù)，是指工程設計中的分析計算與分析仿真，具體包括工程數值分析、結構與過(guò)程優(yōu)化設計、強度與壽命評估、運動(dòng)、動(dòng)力學(xué)仿真。工程數值分析用來(lái)分析確定產(chǎn)品的性能；結構與過(guò)程優(yōu)化設計用來(lái)保證產(chǎn)品功能、工藝過(guò)程的基礎上，使產(chǎn)品、工藝過(guò)程的性能最優(yōu)；結構強度與壽命評估用來(lái)評估產(chǎn)品的精度設計是否可行�？煽啃匀绾我约笆褂脡勖鼮槎嗌�；運動(dòng)，動(dòng)力學(xué)仿真用來(lái)對CAD建模完成的虛擬樣機進(jìn)行運動(dòng)學(xué)仿真和動(dòng)力學(xué)仿真。從過(guò)程化、實(shí)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(dòng)，動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)。對CAE作進(jìn)一步分析，其具體的含義表現為以下幾個(gè)方面：

　　(1)運用工程數值分析中的有限元等技術(shù)分析計算產(chǎn)品結構的應力、變形等物理場(chǎng)量，給出整個(gè)物理場(chǎng)量在空間與時(shí)間上的分布，實(shí)現結構的從線(xiàn)性、靜力計算分析到非線(xiàn)性、動(dòng)力的計算分析；

　　(2)運用過(guò)程優(yōu)化設計的方法在滿(mǎn)足工藝、設計的約束條件下，對產(chǎn)品的結構、工藝參數、結構形狀參數進(jìn)行優(yōu)化設計，使產(chǎn)品結構性能、工藝過(guò)程達到最優(yōu)；

　　(3)運用結構強度與壽命評估的理論、方法、規范，對結構的安全性、可靠性以及使用壽命做出評價(jià)與估計；

　　(4)運用運動(dòng)，動(dòng)力學(xué)的理論、方法，對由CAD實(shí)體造型設計出的機構、整機進(jìn)行運動(dòng)，動(dòng)力學(xué)仿真，給出機構、整機的運動(dòng)軌跡、速度、加速度以及動(dòng)反力的大小等。

　　現代設計方法表明，產(chǎn)品設計雖然只占產(chǎn)品整個(gè)成本的5%，但它卻影響產(chǎn)品整個(gè)成本的70%。在設計過(guò)程中。如果確定了產(chǎn)品結構、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(kāi)發(fā)周期而言，產(chǎn)品設計占其周期的50%以上。統計資料表明。我國工程技術(shù)人員用于產(chǎn)品設計的工作量大約為40%，其余時(shí)間用在查閱技術(shù)標準、手冊和一些輔助工作上。而產(chǎn)品設計工作只有30%屬新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。70%左右的設計都是在原有基礎上進(jìn)行的。從閥門(mén)行業(yè)的情況看更是如此。另?yè)�資料顯示，幾乎50%~90%結構或零部件的失效都是由于材料疲勞引起的。據1996年勞動(dòng)部對200起壓力管道事故的原因分析顯示，設計原因占了11%�？梢�(jiàn)，設計工作在閥門(mén)制造業(yè)中的地位是非常重要的。近些年來(lái)的實(shí)踐證明，將數字化設計技術(shù)應用于制造業(yè)，進(jìn)行傳統制造業(yè)的改造，是現代制造業(yè)發(fā)展的必由之路。據專(zhuān)家估計，由于現代科技的進(jìn)步，今后15年制造技術(shù)的發(fā)展將超過(guò)以往的75年。

　　制造業(yè)的生命力在于產(chǎn)品的創(chuàng )新，閥門(mén)制造業(yè)也是如此。實(shí)現創(chuàng )新的關(guān)鍵。除了設計思想和概念之外，最主要的就是技術(shù)保障。即采用先進(jìn)可靠的CAD/CAE軟件。但大部分CAD軟件中的分析模塊功能過(guò)于簡(jiǎn)單化、通用化，真正精確量化的分析項目仍然要依靠專(zhuān)業(yè)的CAE軟件來(lái)解決。企業(yè)日益全面和多元化的需求，促成了數字化設計技術(shù)的發(fā)展。CAD和CAE這兩條并軌道之間的距離越來(lái)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(lái)巨大的經(jīng)濟效益，這已成為不爭的事實(shí)。以ANSYS、LS-DYNA等為代表的高端CAE軟件早已活躍在全球各行各業(yè)中，將“基于物理樣機試驗的傳統設計方法”帶入基于“虛擬樣機仿真的現代設計方法”，將大幅度縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，降低成本，提高企業(yè)競爭力，潛在的問(wèn)題越早地得到解決，設計的成本與周期的降低效果越明顯。因此，CAE分析應該提前到概念設計階段，在零部件設計階段就應該進(jìn)行CAE分析。設計人員負責對自己設計的零部件進(jìn)行分析，已成為企業(yè)的迫切需求。應用CAE技術(shù)進(jìn)行閥門(mén)的分析設計，將使閥門(mén)設計領(lǐng)域發(fā)生根本變革，推動(dòng)閥門(mén)設計方法及設計技術(shù)的進(jìn)步。

　　 閥門(mén)制造業(yè)中，按照產(chǎn)品設計流程。CAE技術(shù)可在如下幾個(gè)步驟發(fā)揮作用：

　　(1)根據市場(chǎng)需求、產(chǎn)品功能及商業(yè)考慮等進(jìn)行產(chǎn)品規劃、方案設計，CAE可以用來(lái)完成基礎設計的驗證、不同方案的比較。滿(mǎn)足功能、性能方面的要求。并為企業(yè)領(lǐng)導層進(jìn)行產(chǎn)品決策提供參考，回答是否能夠在預定時(shí)間、預定成本等約束條件下開(kāi)發(fā)出能滿(mǎn)足要求的產(chǎn)品的問(wèn)題。這一階段主要進(jìn)行較為詳細的、帶有一定目標的預演。

　　(2)詳細設計階段

　　在這個(gè)階段，所有的設計將全部展開(kāi)，從系統設計、裝配部件、子裝配、零件設計，直到圖紙、材料、制造工藝等。CAE分析在這個(gè)階段的作用，就是驗證各種部件是否能滿(mǎn)足預期的性能（如結構強度、剛度、動(dòng)力特性等），制造上是否可行。

　　(3)樣機試驗階段

　　試驗階段是設計完成后的關(guān)鍵階段，大多數企業(yè)（尤其特種閥門(mén)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，就要重新設計，重新制造，重新試驗。如此反復直到定型通過(guò)。顯然，這樣反復多次的“設計、試驗、修改”過(guò)程，既耗費時(shí)間，費用又極為昂貴。如果采用CAE分析，樣機的數量和重新制造、重新試驗的次數必然會(huì )減少。在數字樣機的仿真試驗中發(fā)現問(wèn)題，修改設計，與物理樣機相比，顯然其成本會(huì )降低很多。據統計，數字樣機的開(kāi)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(shí)間，節約大量的費用。