基于CAE/CAD/LCM的橡塑機(jī)械新型輔助設(shè)計(jì)方法

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

基於CAE體系的整合設(shè)計(jì)方法

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

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

該系統(tǒng)由螺桿設(shè)計(jì)模塊、機(jī)頭/模具設(shè)計(jì)模塊、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊、物料數(shù)據(jù)庫(kù)、設(shè)計(jì)性能模擬模塊、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)-計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)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(jìn)展,螺桿設(shè)計(jì)模塊、機(jī)頭/模具設(shè)計(jì)模塊、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊為設(shè)計(jì)者提供了標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)指導(dǎo),以接近參數(shù)化設(shè)計(jì)的形式幫助設(shè)計(jì)者完成設(shè)計(jì)任務(wù)。

而物料數(shù)據(jù)庫(kù)、設(shè)計(jì)性能模擬模塊使得設(shè)計(jì)者可以根據(jù)用戶的物料情況,對(duì)設(shè)計(jì)方案的應(yīng)用效果進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬,以檢測(cè)設(shè)計(jì)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(jī)械輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的框架示意圖。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)-計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)比模塊類似於專家系統(tǒng),通過(guò)對(duì)已有設(shè)計(jì)方案的理論計(jì)算結(jié)果和實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,得出相應(yīng)的修正分析,以指導(dǎo)以後的設(shè)計(jì)工作。

該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在於:通過(guò)應(yīng)用最新研究成果,構(gòu)建一體化的CAE輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng),提升了橡塑機(jī)械的設(shè)計(jì)效率。但不足之處是:用於進(jìn)行設(shè)計(jì)方案計(jì)算模擬的核心軟件主要是現(xiàn)有有限元分析軟件,對(duì)設(shè)計(jì)者的理論基礎(chǔ)與計(jì)算機(jī)水平要求較高,這對(duì)系統(tǒng)的應(yīng)用推廣帶來(lái)了一定的限制。

基於并行工程的輔助設(shè)計(jì)方法

基於并行工程的輔助設(shè)計(jì)方法更多的考慮到了不同用戶的需求差異,在標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上,強(qiáng)調(diào)通過(guò)功能分析、用戶溝通來(lái)實(shí)現(xiàn)專用設(shè)備的設(shè)計(jì)與制造。為了縮短設(shè)計(jì)、制造周期,降低成本,這種設(shè)計(jì)方法強(qiáng)調(diào)對(duì)設(shè)備設(shè)計(jì)方案進(jìn)行功能模塊細(xì)分,通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)方法盡可能多的提高現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)部件的使用率,減少專用部件的設(shè)計(jì)、制造成本。

在設(shè)計(jì)實(shí)施中,強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)者與用戶、設(shè)計(jì)者與設(shè)計(jì)者間的科學(xué)溝通,從而降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn),以便在最短的時(shí)間內(nèi)完成設(shè)計(jì)任務(wù)。

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

在功能分析階段,通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)要求、設(shè)計(jì)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)置,明確用戶需求,為後續(xù)設(shè)計(jì)工作的開展設(shè)定基礎(chǔ)。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段,通過(guò)概念設(shè)計(jì)、材料選擇、功能設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)步驟的劃分,確保了設(shè)計(jì)相關(guān)人員、用戶間信息溝通的暢通,減少了重復(fù)勞動(dòng),降低了設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。

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

在過(guò)程實(shí)施階段,將設(shè)計(jì)方案與用戶擬使用裝備的參數(shù)條件進(jìn)行綜合分析,使用計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算,檢測(cè)設(shè)計(jì)方案能否達(dá)到使用要求。

國(guó)內(nèi)很多高校及研究機(jī)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(jì)的注射模具輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

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圖2 國(guó)內(nèi)研發(fā)的注射模具輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)

此類設(shè)計(jì)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在於將創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念結(jié)合到傳統(tǒng)裝備設(shè)計(jì)過(guò)程中,通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化、參數(shù)化、模塊化的設(shè)定,形成科學(xué)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程,提高設(shè)計(jì)效率。但目前此類系統(tǒng)多應(yīng)用於模具設(shè)計(jì),對(duì)於機(jī)械裝備、機(jī)組的設(shè)計(jì),由於涉及因素多、功能要求復(fù)雜,具有實(shí)際應(yīng)用性的輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)尚在研究與發(fā)展過(guò)程中。

基於故障及安全分析的輔助設(shè)計(jì)方法

生產(chǎn)安全向來(lái)是工業(yè)管理中相當(dāng)重視的一個(gè)方面,除了在生產(chǎn)中嚴(yán)格管理之外,使用具有一定安全保證的生產(chǎn)機(jī)械也會(huì)為生產(chǎn)安全提供強(qiáng)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(jī)械的系列安全標(biāo)準(zhǔn),其中EN 1114-1:1997則是專門針對(duì)擠出機(jī)和擠出生產(chǎn)線的安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。英國(guó)衛(wèi)生與安全管理局(HSE)也發(fā)制品了塑料加工過(guò)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(guó)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(jì)階段)進(jìn)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(shí)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(lái),基於事件樹分析(ETA)、功能-故障設(shè)計(jì)(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(jī)械領(lǐng)域得到應(yīng)用,并逐步推廣開來(lái)。

事件樹分析方法(ETA)是一種分析潛在風(fēng)險(xiǎn)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(jì)中,隨後開始在其他工業(yè)設(shè)計(jì)中應(yīng)用。該方法側(cè)重於分析部件設(shè)計(jì)對(duì)產(chǎn)品功能的影響,通過(guò)對(duì)產(chǎn)品一個(gè)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(gè)部件的功能實(shí)現(xiàn)狀態(tài),及發(fā)生故障後對(duì)產(chǎn)品功能的影響。從而通過(guò)對(duì)不同設(shè)計(jì)方案的分析就可以模擬出整個(gè)系統(tǒng)(產(chǎn)品)的功能情況與發(fā)生某個(gè)故障的概率,進(jìn)而通過(guò)更改設(shè)計(jì)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(jì)流程示意圖

功能-故障設(shè)計(jì)方法(FFDM)是近年由美國(guó)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(jì)方法。該方法通過(guò)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(guò)類似產(chǎn)品已有故障聯(lián)系起來(lái)實(shí)現(xiàn)自頂向下的機(jī)械設(shè)計(jì)。自2003年以來(lái)FFDM的設(shè)計(jì)原則和方法不斷完善,并開始在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jì)方法在橡塑加工機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用,為橡塑機(jī)械設(shè)計(jì)指出了新的發(fā)展模式。但目前此類應(yīng)用尚處?kù)堆芯侩A段,研究者主要集中在歐美的研究機(jī)構(gòu),成果多是理論的分析與研討,離具有實(shí)際應(yīng)用性的產(chǎn)品出現(xiàn),尚需要一段時(shí)間。(end)

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