应用计算机辅助工程技术提升数控机床产品质量

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一、 CAE 技术及其功效 CAE技术是计算机技术和工程分析技术相结合形成的新兴技术， 并通过各种CAE软件发挥效能。 CAE 软件是由计算力学 、 计算数学 、 结构动力学 、数字仿真技术、 工程管理学与计算机等技术相结合而形成的一种综合性、 知识密集型信息产品， 它是实现重大工程和工业产品计算分析、 模拟仿真与优化设计的工程软件， 是支持工程师、 科学家进行创新研究、 产品创新设计最重要的工具和手段 [3] 。应用 CAE， 可对工程或产品未来的结构和运行状态进行各种模拟， 及早地发现设计缺陷， 并证实未来工程或产品功能和性能的可用性和可靠性， 使应用计算机辅助工程技术提升数控机床产品质量 Improve the quality of machine tool by CAE technology 福州大学机械工程及自动化学院 聂晓根 刘艳斌产品的大多数问题在设计阶段就可通过仿真得到解决， 同时支持工程或产品的协同、 优化设计， 使产品轻量化、性能最优化和设计高效化成为可能。从 20世纪60年代初开始对CAE探索性研究与应用，到今天已经历了 40多年的发展历史 。

随着技术学科的交互性发展，计算机智能化的不断提高、有限元算法的成熟， 以及各门实用科学的突飞猛进，使基于虚拟样机的 CAE技术日趋成熟 。 基于虚拟样机的数控机床设计流程如图 1所示， 它以虚拟样机设计为中心， 对产品进行虚拟设计， 通过虚拟仿真分析，预测实际产品的特性，包括外观、空间关系及运动学和动力学等特性，提供一个全面研究产品工作性能的方法，并通过设计中的反馈信息不断地指导 修 改 初 始 设 计，保 证 产 品 优 化 开 发 过 程 顺 利进行。设计过程实际上就是寻找最佳设计方案的过程。 CAE技术已成为工程和产品设计中 （如航空 、 航天 、机械、 船舶等领域） 必不可少的数值计算、 结构分析和结构优化的重要工具。 当今国际大型企业在产品研发的全生命周期中已普遍应用了 CAE技术 ， 在许多行业中， 计算机辅助分析已经成为产品设计与制造流程中不可逾越的一种强制性的工 艺 规 范 ， CAE分析工具的应用水平成为评定企业技术水平等级、 产品质量和成本管理的决定性因素。 然而我国机床制造企业对 CAE的应用还远不够深入 ， 企业在认知、掌握和应用 CAE的程度远远低于CAD、 CAM等技术， 企业对CAE在产品开发中的创新作用重视不够。增强产品开发能力，缩短产品开发周期，提高设计质量及优化产品开发流程， 降低产品开发和维护成本，大力推广 CAE技术在产品设计和制造过程中的应用，已成为提升制造企业核心竞争力的当务之急。

二、 CAE 软件平台

1. CAE软件分类当前，国际上出现了许多商业化 CAE 软件平台，其功能攘括了结构分析、 CFD ( 流体动力学分析 )、 NVH (震动与噪声分析)、 多体动力学分析 、 材料成型性能分析、 热力分析、 电磁分析及岩土力学分析等应用领域 [4] 。 由于CAE软件具有交叉性 ， 其软件平台分类复杂， 如按其研究对象可分为 ： 静态结构分析和动态结构分析； 按研究问题可分为线性问题和非线性问题； 按物理场可分为 ： 结构 （固体 ）、流体和电磁等。 而结构分析又可以分为刚度分析、强度分析 、 碰撞分析 、 疲劳分析 和 优 化 分 析 等 ； NVH分析又可分为模态分析 、 频响分析 、 震动分析及噪声分析等。 根据CAE软件的应用及其特点， 可将 CAE软件按如图2所示进行分类：通用型 CAE软件可对各类产品的物理力学性能进行分析、 优化 ， 它包含了面向结构领域 ( 如 Msc. Nastran)、 流体力学领域 (如Fluent )、 多物理场耦合和多体系统 (如ADAMS)。 行业专用型是针对特定类型的工程或产品开发的。 如用于汽车工程方面的 VPG、 铸 造 行 业 的 ProCAST， 管 道 设 计 行 业 的 CAEPIPE， 噪声和声场分析的 Sysnoise、 AutoSEA 和 Actran， 板材成型行业的Autoform， 疲劳分析领域的 MSC.Fatigue、 FE Fatigue 等 。 每一种 CAE 软件都有自己的特点， 如在线性方面有Msc.Nastran、 Ansys等，隐 式 非 线 性 方 面 有 Msc.Marc、 ABAQUS/Standard、 ADINA等 ， 显式高度非线性方面有 Msc.Dytran、 LS- Dyna、 ABAQUS/Explicit、 Radioss 等 。 在 大 多 数 CAE 分析软件中一般都带有优化算法 ， 也有一些较专 业 的 优 化 软 件 ， 如 Optistruct、 ptiShape 和 Tosca 等。 也有CAD/CAE/CAM集成的软件系统， 如Pro/En- gineer、 UG、 CATIA等。图 1 基于虚拟样机的数控机床设计流程 104．cmtba．． 2011 年第 4 期 · WMEM Correlative Industries

2. 数控机床CAE软件平台数控机床是一种典型的高精密、 高度自动化的复杂机电产品， 不仅涉及到结构单元的布局、 材料的选取、 结构强度、 刚度、 稳定性、 加工工艺的可行性、 产品的可维修性及可靠性， 而且还涉及到光、机、 电等各子系统相互间匹配性等诸多相互关联的因素。 因此， 对数控机床进行CAE分析需要功能强大的软件平台支撑。

（1）分布式软件平台。 尽管CAE技术发展迅速，但目前仍然缺乏普遍适用的支持数控机床产品设计全过程的数字化产品开发系统。 目前， 应用最广泛的是分布式软件平台， 即以一些具有良好工程实践基础的专用三维设计和动态仿真软件为核心， 配备中间转换程序构成一个集成的设计仿真环境。 如以三 维 设 计 软 件 SolidWorks、 机 械 动 力 学 仿 真 软 件 ADAMS、 大型有限元分析软件ANSYS和控制仿真软件 MATLAB/SIMULIINK为核心构建的集成化软件平台（如图 3所示）， 可对设计的数控机床进行全面的CAE 分析，且具有较高的可信度和良好的适应性。然而，这种分布式软件平台也有很多不足，往往不能很好地支持产品全过程的数字化设计和仿真，成为实施 CAE的技术瓶颈 ： 由于其采用相互独立的三维设计和仿真软件，造成各个软件之间的数据交流困难， 常常出现如点、 面、 线的丢失， 无法对模型中的一些特征进行网格划分等问题，需要花费大量的时间和精力在 CAE软件中进行几何模型的修补工作， 这必然导致模型的不一致且增加设计工作量；反复的仿真分析和反馈修改大大降低了实施 CAE的效率，影响设计流程；利用参数化三维建模软件构建的参数化三维模型，导入到 ADAMS/View之后， 模型却不再具备参数化的特性，不能满足机构动作可靠性分析的需要； 再者， 对于许多中小企业来说，目前主流 CAE商业软件还是 “买不起” 的奢侈工具 ，如果企业购买各种不同的软件搭建所需的平台， 必然增加开发成本， 而且由于多种软件的存在， 设计人员和分析人员要花很多的时间学习这些软件， 也对这些人员提出了更高的要求。 为高效、 快速地实现虚拟设计、 分析与优化， 需要高度集成的软件平台。

（2）集成化软件平台。 随着CAD/ CAE/ CAM高度一体化软件的不断发展和成熟， 不仅设计造型技术更加先进， 其自带的各种仿真功能模块也越来越强大， 在很多领域大有和专用仿真软件一争高下之势， 因此， 一体化的软件平台正逐渐受到工程人员的重视， 在CAE实现方面的应用也越来越广泛， Pro/ E就是其中的杰出代表， 其一体化软件平台及其设计流程如图 4所示。 Pro/E融产品设计、 仿真和管理等各个模块为一体， 可以为产品设计开发提供一个实现完全一体化的虚拟样机集成环境， 在这样一种集成环境下， Pro/E在设计虚拟样机阶段自始至终都采用一个主模型， 随时保持主模型数据的一致性 ， 而下游的仿真及制造都以该主模型为基础展开， 保证了数据的无缝集成， Pro/E还可以根据仿真分析结果得到的改进模型来直接升级主模型， 无需数据转换，非常便捷， 可明显提高分析和优化效率 [5] 。使用 Pro/E 这一软件平台可以快速实现机床产品的设计、 分析与优化， 对于企业来说， 大大降低了软件的投资成本以及人员的培训难度， 值得推广。（本论文由://shlunwen.整理提供，如需转载，请注明出处或联系我们的客服人员）

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