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2013-06-11 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
產(chǎn)品開發(fā)過程瓶頸 - 原型機(jī)開發(fā)及測試
新產(chǎn)品投入生產(chǎn)之前,需要進(jìn)行原型機(jī)測試,以確保產(chǎn)品的性能符合客戶的要求。某些測試只需要簡單的物理樣機(jī),而其它測試(例如結(jié)構(gòu)完整性測試)可能需要功能齊全的物理原型機(jī)。功能齊全的原型機(jī)比較昂貴,需要較長的制造時(shí)間,并會(huì)延長產(chǎn)品開發(fā)周期。尤其在需要許多原型機(jī)時(shí)更是如此。原型機(jī)測試通常會(huì)發(fā)現(xiàn)一些設(shè)計(jì)上的問題,這就要求重新制造原型機(jī)并進(jìn)行測試以檢查修改后的設(shè)計(jì)。通常,在產(chǎn)品設(shè)計(jì)最終定型之前,需要經(jīng)歷數(shù)次 成本高昂的設(shè)計(jì)-原型機(jī)迭代。
圖片1 由Bucyrus International, Inc.提供
隨著二十世紀(jì)九十年代信息技術(shù)的高速發(fā)展,產(chǎn)品開發(fā)過程從原型機(jī)制造-測試過程發(fā)展成為一種全新的產(chǎn) 品開發(fā)方法,即借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD) 技術(shù)來開發(fā)產(chǎn)品。工程師開始使用有限單元方法(通常稱為有限單元分析(FEA))來分析目標(biāo)設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)模型,從而節(jié)省了制造和測試原型機(jī)所需的費(fèi)用和時(shí)間。利用FEA,工程師可以在各種強(qiáng)度下仿真設(shè)計(jì)模型的反應(yīng),并使用這些結(jié)果來改進(jìn)設(shè)計(jì)性能,最大程度地減少對(duì)物理原型機(jī)的需求。
什么是設(shè)計(jì)分析?
用最簡單的話來說,設(shè)計(jì)分析是一種用于在計(jì)算機(jī)上模擬物理行為的強(qiáng)大的軟件技術(shù)。它會(huì)壞嗎?它會(huì)變形嗎?它會(huì)不會(huì)變得過熱?對(duì)于這些類型的問題,設(shè)計(jì)分析能夠給出明確的答案。工程師不需要制造原型機(jī)并精心制訂測試計(jì)劃來分析產(chǎn)品的物理行為,只需在計(jì)算機(jī)上快速而精確地獲得這些信息。由于設(shè)計(jì)分析可以最大限度地減少甚至避免對(duì)物理原型機(jī)和測試的需要,因此,在過去的十年中,這種技術(shù)已成為主流技術(shù),在制造業(yè)作為一種重要的產(chǎn)品開發(fā)工具使用,并且?guī)缀鯌?yīng)用于所有工程領(lǐng)域。
在圖2中,紅色區(qū)域表示潛在的故障 機(jī)械工程領(lǐng)域最常用的設(shè)計(jì)分析應(yīng)用程序是應(yīng)力分析。工程師通過對(duì)某個(gè)零件的應(yīng)力(包括結(jié)構(gòu)應(yīng)力和熱應(yīng)力)進(jìn)行研究,確定它是否會(huì)出現(xiàn)故障以及是否需要對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改以避免這些潛在問題的發(fā)生。設(shè)計(jì)分析還用于確定零件變形的可能性、零件和裝配體的共振頻率和振動(dòng)模式、動(dòng)力特性和地震反應(yīng)、接觸應(yīng)力、溫度分布等等。同時(shí),設(shè)計(jì)分析還可用于分析流體:流體在管道中是氣體還是液體、引擎進(jìn)氣管的空氣和燃料的混合情況,以及熔融塑料在模具中的填充情況。設(shè)計(jì)分析真正的作用在于能夠在不制造任何物件的情況下精確地執(zhí)行這些類型的研究中的任一種。所需的只是一個(gè)由計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件(CAD)產(chǎn)生的數(shù)字模型。
設(shè)計(jì)分析一體化
早期的設(shè)計(jì)分析軟件包是相互獨(dú)立且專業(yè)程度非常高的應(yīng)用程序,與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件并不相連。自二十世紀(jì)九十年代中期起,隨著以下重大技術(shù)的發(fā)展,行業(yè)主流開始從物理原型機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)槿S設(shè)計(jì)分析:
- 三維實(shí)體建模軟件變得更強(qiáng)大、價(jià)格更低廉、更易于使用;
- 設(shè)計(jì)分析軟件更強(qiáng)大、價(jià)格更低廉,更易于非專業(yè)人士使用;
- Microsoft? Windows? 操作系統(tǒng)使用戶在PC上使用CAD和分析應(yīng)用程序成為可能;
- 計(jì)算機(jī)硬件性能更加強(qiáng)大、穩(wěn)定,價(jià)格更低廉。
圖3 CAD 和分析集成在一個(gè)窗口中
今天,臺(tái)式機(jī)達(dá)到了二十世紀(jì)八十年代大型機(jī)的計(jì)算能力,價(jià)格卻只是大型機(jī)的零頭。高級(jí)設(shè)計(jì)分析工具的發(fā)展,使得制造商可以充分利用價(jià)格適中的計(jì)算能力以及主流設(shè)計(jì)分析的優(yōu)勢。強(qiáng)大的組合利用3D 實(shí)體建模和設(shè)計(jì)分析軟件結(jié)合所產(chǎn)生的強(qiáng)大功能,工程師現(xiàn)在可以在計(jì)算機(jī)中測試設(shè)計(jì),而不需要對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行原型機(jī)-測試迭代。 CAD 模型變成了虛擬的原型機(jī),并且分析設(shè)計(jì)已經(jīng)替代了物理測試,實(shí)現(xiàn)了更快、成本更低廉、效果更佳的產(chǎn)品開發(fā)。這樣,產(chǎn)品更具創(chuàng)新性,更可靠,更適合市場需要。
不再只是專家的任務(wù)
對(duì)于設(shè)計(jì)分析軟件使用的理解有很多誤區(qū)。許多工程師認(rèn)為基于FEA 的設(shè)計(jì)分析非常深?yuàn)W、代價(jià)昂貴且難以使用。某些工程師認(rèn)為設(shè)計(jì)分析軟件一般只有博士才會(huì)操作,僅適用于大型企業(yè),而對(duì)于自己從事的工作類型沒有 多大必要。研究表明,在使用3D CAD 的設(shè)計(jì)工程師中,十個(gè)中有七個(gè)持有這種看法。
在這種認(rèn)識(shí)下,許多工程師直接將未經(jīng)測試的設(shè)計(jì)應(yīng)用于原型機(jī),甚至直接投入生產(chǎn),為此危及到產(chǎn)品質(zhì)量和重要的客戶關(guān)系。在其它一些情況中,設(shè)計(jì)人員只是因循守舊,復(fù)制已過時(shí)的產(chǎn)品,傾向于堅(jiān)持過去有效的觀念,而不愿意努力創(chuàng)新。不優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致費(fèi)用增加,例如使用過多的原材料,而本來通過實(shí)施設(shè)計(jì)分析并優(yōu)化設(shè)計(jì)可以減少這些不必要的開支。某些3D CAD 軟件包中免費(fèi)提供一些分析功能。隨著越來越多的工程師開始重視設(shè)計(jì)分析工具,對(duì)設(shè)計(jì)分析的誤解在逐漸消失。
如果在設(shè)計(jì)周期的前期階段實(shí)施設(shè)計(jì)分析,可以實(shí)現(xiàn)最大的優(yōu)勢,因?yàn)槟莻€(gè)時(shí)候?qū)υO(shè)計(jì)進(jìn)行更改最容易并且最節(jié)約成本。結(jié)合實(shí)體建模執(zhí)行分析時(shí),設(shè)計(jì)工程師可以利用分析結(jié)果來修正、改進(jìn)或優(yōu)化設(shè)計(jì)。在過去許多年內(nèi),設(shè)計(jì)分析僅限于非常專業(yè)的分析人員使用。他們在設(shè)計(jì)工程師完成了設(shè)計(jì)任務(wù)以后對(duì)模型進(jìn)行分析。使用這種方法時(shí),由于設(shè)計(jì)人員和分析人員之間反復(fù)進(jìn)行修改-分析工作,因此浪費(fèi)了大量的時(shí)間,特別是需要在另一套分析軟 件包中重新創(chuàng)建實(shí)體模型時(shí)。
圖4
用戶可以通過工具(例如SolidWorks eDrawings)與設(shè)計(jì)小組的其他成員交流分析結(jié)果不過,近些年來,在概念設(shè)計(jì)中使用設(shè)計(jì)分析的優(yōu)勢變得非常明顯。設(shè)計(jì)工程師在針對(duì)目前先進(jìn)的集成分析系統(tǒng)接受適當(dāng)?shù)呐嘤?xùn)后,可以具有比分析人員更好的優(yōu)勢。他們可以在設(shè)計(jì)迭代過程中利用分析結(jié)果來修改實(shí)體模型。由于設(shè)計(jì)工程師直接參與對(duì)自己的設(shè)計(jì)的分析,因此整個(gè)周期大為縮短,并且可以確保在設(shè)計(jì)過程中根據(jù)分析結(jié)果立即對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改。設(shè)計(jì)分析技術(shù)以多種方法打破了傳統(tǒng)工程部門之間的界線。繪制草圖、設(shè)計(jì)和分析產(chǎn)品設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)上是由不同人員執(zhí)行的獨(dú)立任務(wù),而功能強(qiáng)大、易于使用、價(jià)格適中的CAD 和設(shè)計(jì)分析軟件使所有工程部門之間能夠更緊密地進(jìn)行協(xié)作。分析人員可以繼續(xù)發(fā)揮重要作用,他們可以著手進(jìn)行更高級(jí)、更耗時(shí)的分析工作。
評(píng)估設(shè)計(jì)分析軟件
市場上有許多不同的設(shè)計(jì)分析程序。制造企業(yè)應(yīng)如何評(píng)估并選擇最合適的分析軟件包作為自己的設(shè)計(jì)工具呢?在設(shè)計(jì)流程中實(shí)施哪一種設(shè)計(jì)分析軟件包可以獲得最大的投資回報(bào)率? 評(píng)估和選擇設(shè)計(jì)分析軟件時(shí),需要考慮若干重要因素:
設(shè)計(jì)分析軟件包應(yīng)該與CAD 系統(tǒng)集成。雖然CAD 和分析軟件包之間可以通過中間文件格式(例如GES 或STEP)交換信息,但這種方法十分耗時(shí)、不可預(yù)測、容易發(fā)生錯(cuò)誤,并且不能提供CAD 和分析模型之間的雙向相關(guān)性。在兩者之間建立直接接口是最佳的選擇。僅當(dāng)CAD 軟件是基于特征的、參數(shù)化的、完全關(guān)聯(lián)的實(shí)體建模工具時(shí),集成設(shè)計(jì)分析軟件包才能發(fā)揮良好的作用。利用這些類型的CAD 系統(tǒng),設(shè)計(jì)工程師可以暫時(shí)隱藏不重要的幾何特征(而 不是永久刪除它們),并可以利用CAD 模型的參數(shù)特性輕松地比較不同的設(shè)計(jì)配置。在真正集成的系統(tǒng)中,CAD 軟件成為分析應(yīng)用程序的主程序。這樣,不但可以進(jìn)行快速的設(shè)計(jì)分析迭代,同時(shí)可以大大縮短培訓(xùn)時(shí)間,因?yàn)樗?幾何體功能都在熟悉的CAD 軟件包中執(zhí)行(一般來說,這是設(shè)計(jì)分析中最耗時(shí)的部分)。
設(shè)計(jì)分析軟件應(yīng)該易于使用,同時(shí)應(yīng)該允許用戶介入。集成設(shè)計(jì)分析軟件應(yīng)該為用戶提供控制網(wǎng)格化、單元類型和順序、理想化方案和所需求解方法的功能。雖然在大多數(shù)情況下用戶可以接受高級(jí)設(shè)計(jì)分析軟件提供的默認(rèn)選擇,但用戶還是應(yīng)該能夠在需要或者想要介入時(shí)控制具體的分析任務(wù)。
設(shè)計(jì)分析軟件應(yīng)該提供優(yōu)秀的自動(dòng)網(wǎng)格生成工具和快速求解工具。有限單元網(wǎng)格的質(zhì)量是產(chǎn)生精確分析結(jié)果的基礎(chǔ),而快速求解工具則是及時(shí)生成分析結(jié)果的重要因素。兼?zhèn)鋬?yōu)秀的自動(dòng)網(wǎng)格生成工具和快速的求解工具,可以減少甚至消除在生成網(wǎng)格前的幾何體準(zhǔn)備工作的需求。即使大型的CAD 模型都可以使用快速自動(dòng)網(wǎng)格生成工具和 快速求解工具來生成網(wǎng)格和求解。
"與我們以前使用的方法相比,COSMOS 的最 大優(yōu)勢在于時(shí)間的節(jié)約。它的速度非?？? 并且易于使用。我們能夠運(yùn)行20 次分析,以便發(fā)現(xiàn)問題所在并解決問題。" -------Fanuc Robotics NA 高級(jí)工程師 Don Bartlett
圖5
設(shè)計(jì)分析軟件應(yīng)該能夠執(zhí)行大多數(shù)常見類型的分析。分析系統(tǒng)應(yīng)該具有多強(qiáng)大的功能?工程師有時(shí)候會(huì)嘗試 選擇一個(gè)能夠處理所有可能的分析類型的分析軟件包。這樣,無論將來需要何種功能,都能夠滿足。
如果使用者是接受過良好培訓(xùn)的分析人員,高端分析軟件包可以發(fā)揮很好的作用,但在產(chǎn)品開發(fā)過程中與CAD 結(jié)合使用時(shí),高端分析軟件包的效果較差。制造商更愿意尋找最有可能解決他們的絕大多數(shù)需求的軟件包,而不愿 意選擇功能最強(qiáng)大的分析軟件。
在大多數(shù)設(shè)計(jì)分析并行過程中執(zhí)行的分析類型包括:
- 線性應(yīng)力分析
- 接觸應(yīng)力分析
- 頻率模型分析
- 穩(wěn)態(tài)熱力分析
- 失穩(wěn)分析
集成設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)應(yīng)該支持這些類型的分析,并且能夠讓用戶選擇在以后添加更高級(jí)的分析功能。例如,如果偶爾某個(gè)項(xiàng)目要求更高級(jí)類型的分析(例如非線性分析或動(dòng)態(tài)分析),但該分析過于復(fù)雜,設(shè)計(jì)工程師無法實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程,在這種情況下,就需要更高級(jí)類型的分析功能。安排經(jīng)過良好培訓(xùn)的分析人員來處理復(fù)雜分析是非常明智的。要求進(jìn)行更高級(jí)的分析時(shí),集成設(shè)計(jì)分析軟件包能夠幫助設(shè)計(jì)工程師和分析人員實(shí)現(xiàn)相互之間的數(shù)據(jù)交換,而不需要重建或轉(zhuǎn)換模型。因此,在理論上,集成設(shè)計(jì)分析軟件包可以作為大規(guī)模分析工作的一部分。
設(shè)計(jì)分析軟件還應(yīng)該集成用于將設(shè)計(jì)意圖傳達(dá)給產(chǎn)品開發(fā)部門中的其他成員的工具。分析軟件包還應(yīng)該提供能夠有效地、簡潔明了地呈現(xiàn)結(jié)果的工具。自動(dòng)生成報(bào)告和結(jié)果的功能使任何人都無須使用分析軟件,在標(biāo)準(zhǔn)的辦公環(huán)境軟件中即可查看分析結(jié)果。結(jié)果文件應(yīng)該以標(biāo)準(zhǔn)圖形格式創(chuàng)建,例如.html(Internet圖形)和.avi(動(dòng)畫)。用戶應(yīng)該能夠訪問和使用分析專門技術(shù)和資源。設(shè)計(jì)分析軟件包是否提供了獨(dú)立于軟件供應(yīng)商的在線幫助系統(tǒng)、電話技術(shù)支持以及用戶組和顧問的訪問?評(píng)估和選擇設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)的最后一項(xiàng)考慮因素是成本。設(shè)計(jì)分析軟件不應(yīng)該過于昂貴,無論是許可證成本、實(shí)施成本,還是培訓(xùn)成本。但是,價(jià)格不應(yīng)成為唯一的考慮因素。在許多情況下,購買不合適的軟件花費(fèi)的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了在購買價(jià)格上節(jié)約的成本。同時(shí),還應(yīng)該考慮預(yù)期的投資回報(bào)率。
價(jià)格稍微貴一些的軟件包在使用中所實(shí)現(xiàn)的成本節(jié)約收益,很有可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出在采購價(jià)格上節(jié)約的成本。
SANDIA National Laboratories(山迪亞國家實(shí)驗(yàn)室)說,以前使用某個(gè)競爭對(duì)手的分析產(chǎn)品時(shí),花 費(fèi) 了 五 個(gè) 月 的時(shí) 間 但 只 實(shí) 現(xiàn) 了 90% 的 目 標(biāo) 。 轉(zhuǎn) 而 使 用 COSMOS 軟件后, SANDIA National Laboratories 能夠在一周內(nèi)完 成對(duì)一個(gè)由306個(gè)零件組成的極其復(fù)雜的 實(shí)體模型的分析。
圖6
概括來說,評(píng)估和選擇設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)時(shí),應(yīng)考慮以下因素:
CAD 系統(tǒng)應(yīng)該:
- 是基于特征的、參數(shù)化的、完全關(guān)聯(lián)的實(shí)體建模工具
- 能夠創(chuàng)建所有幾何體以執(zhí)行CAD 和分析功能
- 能夠在設(shè)計(jì)和分析模型之間切換,同時(shí)保持幾何體的鏈設(shè)計(jì)分析軟件包應(yīng)該:
- 與基于特征的、參數(shù)化的、完全關(guān)聯(lián)的實(shí)體建模工具相集成
- 能夠最大限度地減少具體分析任務(wù)中用戶介入的需求,但必須為用戶提供在必要時(shí)控制分任務(wù)的工具
- 集成高級(jí)網(wǎng)格生成工具和快速求解工具選項(xiàng)
- 能夠處理所有常見類型的分析,例如靜態(tài)、頻率、失穩(wěn)、接觸和熱力
- 能夠進(jìn)行擴(kuò)展,以便與分析人員使用的高端分析軟件包相結(jié)合
- 集成用于將設(shè)計(jì)意圖傳達(dá)給產(chǎn)品開發(fā)部門中的其他成員的工具
- 能夠提供良好的用戶支持
價(jià)格合理 將主流分析集成到設(shè)計(jì)周期中是制造商邁出的重要一步。許多公司已經(jīng)完成了這一轉(zhuǎn)變,并在實(shí)施過程中獲得了業(yè)務(wù)、工程和生產(chǎn)效率方面的收益。
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