基于CAE/CAD/LCM的橡塑機械新型輔助設(shè)計方法

2013-06-23 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

基於CAE體系的整合設(shè)計方法

近年來,Pro-E、UG等三維CAD(計算機輔助設(shè)計)設(shè)計軟件與ANSYS、Moldflow等數(shù)值計算模擬軟件在橡塑加工機械設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛,這為基於CAE(計算機輔助工程)體系的整合設(shè)計方法的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

為此,日本、法國等國家已經(jīng)陸續(xù)開展了將CAD設(shè)計、數(shù)值模擬、物性分析等功能模塊進行整合的一體化CAE輔助設(shè)計系統(tǒng)的研究工作。

該系統(tǒng)由螺桿設(shè)計模塊、機頭/模具設(shè)計模塊、控制系統(tǒng)設(shè)計模塊、物料數(shù)據(jù)庫、設(shè)計性能模擬模塊、實驗數(shù)據(jù)-計算數(shù)據(jù)對比模塊等功能模塊構(gòu)成。

其中,基於橡塑加工理論的最新進展,螺桿設(shè)計模塊、機頭/模具設(shè)計模塊、控制系統(tǒng)設(shè)計模塊為設(shè)計者提供了標準化的設(shè)計指導(dǎo),以接近參數(shù)化設(shè)計的形式幫助設(shè)計者完成設(shè)計任務(wù)。

而物料數(shù)據(jù)庫、設(shè)計性能模擬模塊使得設(shè)計者可以根據(jù)用戶的物料情況,對設(shè)計方案的應(yīng)用效果進行計算機模擬,以檢測設(shè)計方案的可行性。

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圖1是日本Cybernet公司研發(fā)的橡塑加工機械輔助設(shè)計系統(tǒng)的框架示意圖。

實驗數(shù)據(jù)-計算數(shù)據(jù)對比模塊類似於專家系統(tǒng),通過對已有設(shè)計方案的理論計算結(jié)果和實際試驗結(jié)果進行分析,得出相應(yīng)的修正分析,以指導(dǎo)以後的設(shè)計工作。

該系統(tǒng)的優(yōu)點在於:通過應(yīng)用最新研究成果,構(gòu)建一體化的CAE輔助設(shè)計系統(tǒng),提升了橡塑機械的設(shè)計效率。但不足之處是:用於進行設(shè)計方案計算模擬的核心軟件主要是現(xiàn)有有限元分析軟件,對設(shè)計者的理論基礎(chǔ)與計算機水平要求較高,這對系統(tǒng)的應(yīng)用推廣帶來了一定的限制。

基於并行工程的輔助設(shè)計方法

基於并行工程的輔助設(shè)計方法更多的考慮到了不同用戶的需求差異,在標準設(shè)計方案的基礎(chǔ)上,強調(diào)通過功能分析、用戶溝通來實現(xiàn)專用設(shè)備的設(shè)計與制造。為了縮短設(shè)計、制造周期,降低成本,這種設(shè)計方法強調(diào)對設(shè)備設(shè)計方案進行功能模塊細分,通過模塊化設(shè)計方法盡可能多的提高現(xiàn)有標準部件的使用率,減少專用部件的設(shè)計、制造成本。

在設(shè)計實施中,強調(diào)設(shè)計者與用戶、設(shè)計者與設(shè)計者間的科學(xué)溝通,從而降低設(shè)計風(fēng)險,以便在最短的時間內(nèi)完成設(shè)計任務(wù)。

法國INSA de Strasbourg- Lge Co研究所提出的模具并行設(shè)計體系將設(shè)計過程劃分為功能分析、產(chǎn)品設(shè)計、模具設(shè)計、過程實施等階段。

在功能分析階段,通過對設(shè)計要求、設(shè)計參數(shù)的標準化設(shè)置,明確用戶需求,為後續(xù)設(shè)計工作的開展設(shè)定基礎(chǔ)。

在產(chǎn)品設(shè)計階段,通過概念設(shè)計、材料選擇、功能設(shè)計、詳細設(shè)計等設(shè)計步驟的劃分,確保了設(shè)計相關(guān)人員、用戶間信息溝通的暢通,減少了重復(fù)勞動,降低了設(shè)計風(fēng)險。

在模具設(shè)計階段,將設(shè)計過程細分為流道設(shè)計、喂料系統(tǒng)設(shè)計、冷卻系統(tǒng)設(shè)計、其它系統(tǒng)設(shè)計等部分。這一階段設(shè)計與現(xiàn)有模具設(shè)計CAE系統(tǒng)的功能基本相同。

在過程實施階段,將設(shè)計方案與用戶擬使用裝備的參數(shù)條件進行綜合分析,使用計算機模擬計算,檢測設(shè)計方案能否達到使用要求。

國內(nèi)很多高校及研究機構(gòu)也在從事相關(guān)領(lǐng)域的研究,并研發(fā)出了一系列的應(yīng)用性成果。圖2為華中科技大學(xué)研發(fā)的基於模塊化設(shè)計的注射模具輔助設(shè)計系統(tǒng)。

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圖2 國內(nèi)研發(fā)的注射模具輔助設(shè)計系統(tǒng)

此類設(shè)計系統(tǒng)的優(yōu)點在於將創(chuàng)新設(shè)計理念結(jié)合到傳統(tǒng)裝備設(shè)計過程中,通過標準化、參數(shù)化、模塊化的設(shè)定,形成科學(xué)的產(chǎn)品設(shè)計流程,提高設(shè)計效率。但目前此類系統(tǒng)多應(yīng)用於模具設(shè)計,對於機械裝備、機組的設(shè)計,由於涉及因素多、功能要求復(fù)雜,具有實際應(yīng)用性的輔助設(shè)計系統(tǒng)尚在研究與發(fā)展過程中。

基於故障及安全分析的輔助設(shè)計方法

生產(chǎn)安全向來是工業(yè)管理中相當重視的一個方面,除了在生產(chǎn)中嚴格管理之外,使用具有一定安全保證的生產(chǎn)機械也會為生產(chǎn)安全提供強有力的保證。

歐盟早在1997年就公布了關(guān)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(chǎn)線的安全生產(chǎn)標準。英國衛(wèi)生與安全管理局(HSE)也發(fā)制品了塑料加工過程相關(guān)的系列文件,其中也著重探討了擠出設(shè)備的設(shè)備安全性。美國學(xué)者Robert Stone和 Irem Y. Tumer提出,在設(shè)備生命周期早期(即設(shè)計階段)進行充分的故障分析,可以最大程度上的減少設(shè)備使用隱患及故障,同時提高設(shè)備功能及使用效率。

因此,隨著功能、故障分析技術(shù)理論的快速發(fā)展,近年來,基於事件樹分析(ETA)、功能-故障設(shè)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(lǐng)域得到應(yīng)用,并逐步推廣開來。

事件樹分析方法(ETA)是一種分析潛在風(fēng)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(yīng)堆的可靠性設(shè)計中,隨後開始在其他工業(yè)設(shè)計中應(yīng)用。該方法側(cè)重於分析部件設(shè)計對產(chǎn)品功能的影響,通過對產(chǎn)品一個部件的初始事件後果開始分析,逐步得到其後續(xù)事件,最後得到一個部件的功能實現(xiàn)狀態(tài),及發(fā)生故障後對產(chǎn)品功能的影響。從而通過對不同設(shè)計方案的分析就可以模擬出整個系統(tǒng)(產(chǎn)品)的功能情況與發(fā)生某個故障的概率,進而通過更改設(shè)計或者其他手段提升功能,降低故障發(fā)生的概率。

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圖3 基於FFDM方法的產(chǎn)品設(shè)計流程示意圖

功能-故障設(shè)計方法(FFDM)是近年由美國學(xué)者R.B.Stone和I.Y.Tumer等人提出的一種基於產(chǎn)品功能和同類產(chǎn)品歷史情況分析的設(shè)計方法。該方法通過建立功能的黑箱模型,將設(shè)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(chǎn)品的具體功能,將產(chǎn)品功能和產(chǎn)品可能故障通過類似產(chǎn)品已有故障聯(lián)系起來實現(xiàn)自頂向下的機械設(shè)計。自2003年以來FFDM的設(shè)計原則和方法不斷完善,并開始在機械產(chǎn)品設(shè)計中應(yīng)用。

隨著ETA、FFDM等一系列原本用於大系統(tǒng)、復(fù)雜工程的分析設(shè)計方法在橡塑加工機械設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用,為橡塑機械設(shè)計指出了新的發(fā)展模式。但目前此類應(yīng)用尚處於研究階段,研究者主要集中在歐美的研究機構(gòu),成果多是理論的分析與研討,離具有實際應(yīng)用性的產(chǎn)品出現(xiàn),尚需要一段時間。(end)

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