搜索技術工作者的利器、前瞻規劃者的助手
2013-06-09 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
[編者注]:在CAE技術和軟件逐漸得到認可的同時,我國還有很多行業、很多企業并沒有應用CAE技術,他們對CAE技術的投入產出比持懷疑態度。CAE技術是否需要開始普及?CAE應用效果如何?企業該如何來評估CAE技術的投入產出比呢?為此,e-works組織了主題為 “CAE應用普及”的網上大討論活動。以下是中國船舶重工集團公司第十二研究所高級工程師黃引平女士多年來CAE從業經驗的感想。
特約撰稿人: 黃引平
關鍵字:CAE 普及應用 仿真
高級工程師黃引平女士
技術工作者的利器、前瞻規劃者的助手
CAE技術在新產品開發和國防領域扮演著重要角色。我們知道,需求引導市場。CAE技術給我們提供了一個虛擬仿真設計平臺與環境,不但可以幫助專業工程師預設計、校驗階段性成果和優化最終設計,還可以建立一個針對該產品的設計集成環境,即分析決策系統,為專業管理者提供可靠依據。由于其目前成熟的可視化功能,以及出色的高性能計算、儲存和查詢優勢,又成為專業人員從事高精準技術的硬件保障,因此,作為技術工作者的利器、前瞻規劃者的助手,當前CAE技術已在新產品開發和國防領域發揮著越來越重要的作用。
同時,我們也看到了CAE技術的應用是一場技術變革。首先是她的高投入,從人員、資金到技術的投入,對傳統領域的生產模式進行革新,改變沿襲多年的從生產到投放市場的運行方式,采用虛擬環境進行仿真預測評估;其次,她的回報是潛在的,對一個單位實施信息化,從市場調研、做規劃、采購軟硬件及技術應用和二次開發,是一個多部門、多領域專業人員參與并由多層管理者經受的過程,在深層次地改變著人們的行為方式;又由于軟件的應用必須有明確的應用對象,并由具備一定專業知識、計算機應用和外文功底的復合人才構成的團隊承擔任務,經過一定時期的CAD數字化基礎、前處理及接口技術、數值模擬計算等多項技術的攻關,經過長期的行業經驗積累,在龐大的知識庫支撐情況下,構建出這樣的設計研發創新平臺,最終將本行業的專家聚集在這樣的平臺上協同工作,達到CAE技術的最高境界—網絡下的資源共享,技術的高度集成和創新。
預測產品缺陷,提高產品的可靠性
CAE在傳統熱加工行業正發揮著非常重要的作用。對于國家重大工程,如水、電、能源及國防等行業的大型復雜鑄鍛件熱成形工藝多年來一直是制約國民經濟的瓶頸,其關鍵零部件制造的可靠與否,直接影響著零件的可靠性,進而影響整機系統的可靠性。傳統的工藝一般通過現場實際澆注及鍛造成形,然后實際解剖,來驗證鑄鍛工藝的可靠性,費時費力,而且可靠性不高;隨著計算機技術的發展,為鑄鍛成形工藝的驗證提供了良好的手段。通過計算機的模擬與仿真,可以再現鑄件從澆注到冷卻凝固的全過程,對鑄件充型、凝固過程、高溫金屬變形等進行數值模擬,準確預測縮孔、縮松、熱裂、變形、冷隔和澆不足鑄件缺陷,展示鑄件充型凝固過程中的自由表面、溫度場、速度場、應力場的變化;對大型復雜鍛件,如中、低速柴油機的曲軸、連桿、整鍛活塞及船用推進器、螺旋槳等鍛件的毛坯優化設計、鍛造設備選用、潤滑和加熱工藝及模具設計等各自目標的優化,預測鍛件的折疊V形鬼線等缺陷,預知金屬流線、材料成形流變等,以上CAE仿真為鑄鍛工藝優化提供依據,幫助技術人員在實際鑄造前對鑄鍛件可能出現的各種缺陷及其大小、部位和發生的時間予以有效的預測,以便在之前采取對策,確保鑄鍛件的質量,縮短工藝設計和產品試制周期,降低能耗、材料消耗和生產成本,提高產品的可靠性。
以下是兩個典型CAE應用案例:
大型風電軸套鑄件工藝分析活塞鑄造工藝分析
以下摘自報紙刊登:
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中國船舶重工集團公司第十二研究所成功應用ProCAST |
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2005-11-7 11:28:20 |
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近年來,計算機鑄造工藝仿真軟件開始被大多數鑄造企業所接受,應用這些軟件可以較為準確的預測各種鑄造缺陷,優化澆注系統設計、消除熱裂等裂紋缺陷、提高工藝出品率。中國船舶重工集團公司第十二研究所應用ProCAST軟件在實際鑄造工藝優化設計中取得了明顯的效益,這些應用表明該軟件能準確地預測鑄件的多種鑄造缺陷,有利于鑄造工藝的優化和鑄件的質量提高。 鑄件充型模擬 鑄造充型過程對鑄件的最終質量起著決定性的作用,許多鑄造缺陷,如澆不足、冷隔、卷氣、氧化夾渣乃至縮松、縮孔等都與鑄造的充型過程密切相關,利用ProCAST軟件能夠較為準確的表達充型過程和缺陷生成過程,這對于優化充型系統設計,避免充型不合理引起的鑄造缺陷具有重要的意義。 為了檢驗ProCAST軟件在流場預測方面的準確性,我們選用了英國伯明翰的J.Campbell進行的純鋁充型的基準試驗,來驗證軟件的準確性。 試驗結果的X-射線充型結果如左圖,右圖為ProCAST軟件的模擬情況,從圖中可以看出,ProCAST軟件能夠準確模擬整個鑄件的充型過程,很好的預測出了澆注系統的卷氣缺陷。 在葉輪鑄件的鑄造工藝設計中,我們應用ProCAST軟件很好的預測了葉輪鑄件澆注系統的不合理設計,并提出了工藝改進,使該鑄件一次澆注成功。 原設計工藝中葉輪各個內澆口流量分布極為不合理,經改進后鑄件充型較為均勻,各內澆口流量分布較為均勻。 鑄件凝固模擬 ProCAST軟件能夠較為準確的預測鑄件的縮松和縮孔缺陷,軟件提供多種基于不穩定熱傳導計算的鑄件縮松和縮孔缺陷預測方法,常用的有:溫度梯度法、固相率梯度法、凝固時間梯度法、Niyama判據法及其變種、ProCAST軟件自帶的預密度相關的判據等。工程師可以通過多種判據的綜合應用,達到預測縮松和縮孔缺陷的目的。 我們在優化某鑄鋼件時,綜合應用了多種判據,經過數次模擬分析,最終成功地解決了生產中的鑄件縮松和縮孔問題。 最初鑄件的工藝經模擬分析,應用溫度梯度法和固相率梯度法顯示無缺陷,而應用ProCAST軟件自帶的判據顯示兩處有縮松和縮孔缺陷,這與實際鑄件探傷結果一致,經過多次優化,最終解決了問題,所生產的鑄件內部致密無缺陷。 鑄件應力場模擬 我們在生產的某材質為35CrMo的鑄鋼件時,經常在內澆口附近出現裂紋,并且經常擴展到鑄件內部,嚴重影響了后續工作的正常開展,車間技術員曾在內澆口附近增加一塊凸臺補貼,以減少裂紋向鑄件的擴展,但并未徹底解決問題,后來,應用ProCAST軟件對鑄件應力場進行了模擬,依據模擬情況,提出了改進措施,徹底消除了鑄件中的裂紋缺陷。 |
CAE創新企業獲多項專利
各單位的應用背景不同,效果各異。我所作為專業熱加工工藝研究所,通過“十五” 科研計劃CAE的開展,申請發明專利2項,計算機軟件著作權保護2項,建立了熱加工材料熱物性參數數據庫1套,形成工藝設計準則2項,形成工藝文件7個,完成了柴油機鑄鍛件工藝優化設計準則的制定,提高了國防基礎科研的研究水平,提高了應用CAE技術開展鑄鍛件工藝優化的能力;形成了用于熱加工工藝優化的材料參數數據庫,為后續熱加工工藝數據庫及專家系統的建立奠定了良好的基礎。研究成果可繼續應用于后續大型復雜鑄鍛件的工藝優化工作,進一步提高其成品率,縮短研制和生產周期;形成的熱加工材料熱物性數據庫可以為整個熱加工行業提供數據支持;形成的球墨鑄鐵件缺陷的定量化判據,可用于各種球墨鑄鐵件的工藝CAE分析中,提高其縮孔、縮松缺陷預測的準確性,通過CAE的研究應用,顯著改善了鑄鍛件的質量,提高缸蓋、機身等鑄件成品率20%以上,曲軸、連桿等鍛件的成品率提高10%以上,縮短柴油機關鍵件研制周期30%以上,鍛煉了一批年輕的科研骨干,形成了一個穩定的、扎實于科研事業的團隊。
以下圖片是數據庫系統、專利及計算機軟件著作權登記:
CAE發展全社會將受益
經過政府力度不斷加大的信息化投入,政企的廣泛參與,CAE的目的意義已很明確,我們的廣大CAE工作者也走過了一個漫長的歷程,從自身認識的提高到逐步改變行業觀念,從淺層次的軟件學習、模仿應用到替企業解決急難問題,為國家安全出謀劃策,應該說CAE已經走入了一個新階段。
當前,對CAE的認識已經上升到科技創新的高度,成為企業研發的重要工具。作為一個從事多年CAE熱分析的工作者,我認為提高CAE應用效率是同行最關心的熱點問題之一,在現有硬件環境下,如何提高計算的速度和精度是我們追求的目標,而這些與CAE模型的建立及CAE的流程規范管理密切相關,只有攻破CAE模型的建立過程中的幾項關鍵技術,如高精準的三維CAD模型、與CAE的無縫集成接口及CAE計算優化可靠的前處理等技術。并建立一定的CAE優化流程和行業規范,以穩定規范的技術標準管理技術不斷創新,將CAE作為事業去投入并完善、完美她,那CAE的收益回報不僅來自于本領域,會影響到全社會。
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