搜索技术工作者的利器、前瞻规划者的助手
2013-06-09 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线
[编者注]:在CAE技术和软件逐渐得到认可的同时,我国还有很多行业、很多企业并没有应用CAE技术,他们对CAE技术的投入产出比持怀疑态度。CAE技术是否需要开始普及?CAE应用效果如何?企业该如何来评估CAE技术的投入产出比呢?为此,e-works组织了主题为 “CAE应用普及”的网上大讨论活动。以下是中国船舶重工集团公司第十二研究所高级工程师黄引平女士多年来CAE从业经验的感想。
特约撰稿人: 黄引平
关键字:CAE 普及应用 仿真
高级工程师黄引平女士
技术工作者的利器、前瞻规划者的助手
CAE技术在新产品开发和国防领域扮演着重要角色。我们知道,需求引导市场。CAE技术给我们提供了一个虚拟仿真设计平台与环境,不但可以帮助专业工程师预设计、校验阶段性成果和优化最终设计,还可以建立一个针对该产品的设计集成环境,即分析决策系统,为专业管理者提供可靠依据。由于其目前成熟的可视化功能,以及出色的高性能计算、储存和查询优势,又成为专业人员从事高精准技术的硬件保障,因此,作为技术工作者的利器、前瞻规划者的助手,当前CAE技术已在新产品开发和国防领域发挥着越来越重要的作用。
同时,我们也看到了CAE技术的应用是一场技术变革。首先是她的高投入,从人员、资金到技术的投入,对传统领域的生产模式进行革新,改变沿袭多年的从生产到投放市场的运行方式,采用虚拟环境进行仿真预测评估;其次,她的回报是潜在的,对一个单位实施信息化,从市场调研、做规划、采购软硬件及技术应用和二次开发,是一个多部门、多领域专业人员参与并由多层管理者经受的过程,在深层次地改变着人们的行为方式;又由于软件的应用必须有明确的应用对象,并由具备一定专业知识、计算机应用和外文功底的复合人才构成的团队承担任务,经过一定时期的CAD数字化基础、前处理及接口技术、数值模拟计算等多项技术的攻关,经过长期的行业经验积累,在庞大的知识库支撑情况下,构建出这样的设计研发创新平台,最终将本行业的专家聚集在这样的平台上协同工作,达到CAE技术的最高境界—网络下的资源共享,技术的高度集成和创新。
预测产品缺陷,提高产品的可靠性
CAE在传统热加工行业正发挥着非常重要的作用。对于国家重大工程,如水、电、能源及国防等行业的大型复杂铸锻件热成形工艺多年来一直是制约国民经济的瓶颈,其关键零部件制造的可靠与否,直接影响着零件的可靠性,进而影响整机系统的可靠性。传统的工艺一般通过现场实际浇注及锻造成形,然后实际解剖,来验证铸锻工艺的可靠性,费时费力,而且可靠性不高;随着计算机技术的发展,为铸锻成形工艺的验证提供了良好的手段。通过计算机的模拟与仿真,可以再现铸件从浇注到冷却凝固的全过程,对铸件充型、凝固过程、高温金属变形等进行数值模拟,准确预测缩孔、缩松、热裂、变形、冷隔和浇不足铸件缺陷,展示铸件充型凝固过程中的自由表面、温度场、速度场、应力场的变化;对大型复杂锻件,如中、低速柴油机的曲轴、连杆、整锻活塞及船用推进器、螺旋桨等锻件的毛坯优化设计、锻造设备选用、润滑和加热工艺及模具设计等各自目标的优化,预测锻件的折叠V形鬼线等缺陷,预知金属流线、材料成形流变等,以上CAE仿真为铸锻工艺优化提供依据,帮助技术人员在实际铸造前对铸锻件可能出现的各种缺陷及其大小、部位和发生的时间予以有效的预测,以便在之前采取对策,确保铸锻件的质量,缩短工艺设计和产品试制周期,降低能耗、材料消耗和生产成本,提高产品的可靠性。
以下是两个典型CAE应用案例:
大型风电轴套铸件工艺分析活塞铸造工艺分析
以下摘自报纸刊登:
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中国船舶重工集团公司第十二研究所成功应用ProCAST |
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2005-11-7 11:28:20 |
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近年来,计算机铸造工艺仿真软件开始被大多数铸造企业所接受,应用这些软件可以较为准确的预测各种铸造缺陷,优化浇注系统设计、消除热裂等裂纹缺陷、提高工艺出品率。中国船舶重工集团公司第十二研究所应用ProCAST软件在实际铸造工艺优化设计中取得了明显的效益,这些应用表明该软件能准确地预测铸件的多种铸造缺陷,有利于铸造工艺的优化和铸件的质量提高。 铸件充型模拟 铸造充型过程对铸件的最终质量起着决定性的作用,许多铸造缺陷,如浇不足、冷隔、卷气、氧化夹渣乃至缩松、缩孔等都与铸造的充型过程密切相关,利用ProCAST软件能够较为准确的表达充型过程和缺陷生成过程,这对于优化充型系统设计,避免充型不合理引起的铸造缺陷具有重要的意义。 为了检验ProCAST软件在流场预测方面的准确性,我们选用了英国伯明翰的J.Campbell进行的纯铝充型的基准试验,来验证软件的准确性。 试验结果的X-射线充型结果如左图,右图为ProCAST软件的模拟情况,从图中可以看出,ProCAST软件能够准确模拟整个铸件的充型过程,很好的预测出了浇注系统的卷气缺陷。 在叶轮铸件的铸造工艺设计中,我们应用ProCAST软件很好的预测了叶轮铸件浇注系统的不合理设计,并提出了工艺改进,使该铸件一次浇注成功。 原设计工艺中叶轮各个内浇口流量分布极为不合理,经改进后铸件充型较为均匀,各内浇口流量分布较为均匀。 铸件凝固模拟 ProCAST软件能够较为准确的预测铸件的缩松和缩孔缺陷,软件提供多种基于不稳定热传导计算的铸件缩松和缩孔缺陷预测方法,常用的有:温度梯度法、固相率梯度法、凝固时间梯度法、Niyama判据法及其变种、ProCAST软件自带的预密度相关的判据等。工程师可以通过多种判据的综合应用,达到预测缩松和缩孔缺陷的目的。 我们在优化某铸钢件时,综合应用了多种判据,经过数次模拟分析,最终成功地解决了生产中的铸件缩松和缩孔问题。 最初铸件的工艺经模拟分析,应用温度梯度法和固相率梯度法显示无缺陷,而应用ProCAST软件自带的判据显示两处有缩松和缩孔缺陷,这与实际铸件探伤结果一致,经过多次优化,最终解决了问题,所生产的铸件内部致密无缺陷。 铸件应力场模拟 我们在生产的某材质为35CrMo的铸钢件时,经常在内浇口附近出现裂纹,并且经常扩展到铸件内部,严重影响了后续工作的正常开展,车间技术员曾在内浇口附近增加一块凸台补贴,以减少裂纹向铸件的扩展,但并未彻底解决问题,后来,应用ProCAST软件对铸件应力场进行了模拟,依据模拟情况,提出了改进措施,彻底消除了铸件中的裂纹缺陷。 |
CAE创新企业获多项专利
各单位的应用背景不同,效果各异。我所作为专业热加工工艺研究所,通过“十五” 科研计划CAE的开展,申请发明专利2项,计算机软件著作权保护2项,建立了热加工材料热物性参数数据库1套,形成工艺设计准则2项,形成工艺文件7个,完成了柴油机铸锻件工艺优化设计准则的制定,提高了国防基础科研的研究水平,提高了应用CAE技术开展铸锻件工艺优化的能力;形成了用于热加工工艺优化的材料参数数据库,为后续热加工工艺数据库及专家系统的建立奠定了良好的基础。研究成果可继续应用于后续大型复杂铸锻件的工艺优化工作,进一步提高其成品率,缩短研制和生产周期;形成的热加工材料热物性数据库可以为整个热加工行业提供数据支持;形成的球墨铸铁件缺陷的定量化判据,可用于各种球墨铸铁件的工艺CAE分析中,提高其缩孔、缩松缺陷预测的准确性,通过CAE的研究应用,显著改善了铸锻件的质量,提高缸盖、机身等铸件成品率20%以上,曲轴、连杆等锻件的成品率提高10%以上,缩短柴油机关键件研制周期30%以上,锻炼了一批年轻的科研骨干,形成了一个稳定的、扎实于科研事业的团队。
以下图片是数据库系统、专利及计算机软件著作权登记:
CAE发展全社会将受益
经过政府力度不断加大的信息化投入,政企的广泛参与,CAE的目的意义已很明确,我们的广大CAE工作者也走过了一个漫长的历程,从自身认识的提高到逐步改变行业观念,从浅层次的软件学习、模仿应用到替企业解决急难问题,为国家安全出谋划策,应该说CAE已经走入了一个新阶段。
当前,对CAE的认识已经上升到科技创新的高度,成为企业研发的重要工具。作为一个从事多年CAE热分析的工作者,我认为提高CAE应用效率是同行最关心的热点问题之一,在现有硬件环境下,如何提高计算的速度和精度是我们追求的目标,而这些与CAE模型的建立及CAE的流程规范管理密切相关,只有攻破CAE模型的建立过程中的几项关键技术,如高精准的三维CAD模型、与CAE的无缝集成接口及CAE计算优化可靠的前处理等技术。并建立一定的CAE优化流程和行业规范,以稳定规范的技术标准管理技术不断创新,将CAE作为事业去投入并完善、完美她,那CAE的收益回报不仅来自于本领域,会影响到全社会。
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