先进数字化制造中的工程分析及其应用.doc

先进数字化制造中的工程分析及其应用 岳中第、刘 彬、高光波（100024，北京航空制造工程研究所） 摘要：综合若干工程应用范例，针对先进数字化制造的重要环节—数值化仿真，在ANSYS/APDL平台上进行二次开发，建立了实用的工程分析技术，包括：需求分析，模型参数化，子结构技术，整体分析的自动化流程等。成功的实践表明, 针对现实的工程问题在国际先进的平台上进行二次开发具有可行性与有效性。 1 前言 我国正在成为一个“世界制造工厂”，引来八方客商。先进的数字化制造技术，正在成为人们的日常语言。但是，这并不意味着：我国也是先进制造专利技术的大国。我们制造了许多产品，但都是引进发达国家的图纸或生产线；我们甚至不惜花巨资引进全部专利技术，但没有来得及消化，产品已经换代或升级。 在这期间，以有限元分析方法为基础的计算力学经历了由简单到复杂、由线性到非线性分析的发展过程。结构分析要解决的实际工程问题，早已不是一个简单的零件或结构件，而是多个复杂结构件的组合结构，或整个产品的大型复杂问题。ANSYS作为国际上最为知名的通用有限元分析系统之一，在我国许多行业获得了成功的工程应用。近八年来，在北京航空航空制造工程研究所，我们基于 ANSYS平台进行的二次开发，先后解决了搬运行业汽车起重机的三大结构件及其整体分析[1]，矿用重型汽车（4X2）的整体车架结构分析[2]，车用天然气铝胆复合材料气瓶的整体分析[3]，以及6X6载重越野汽车的车载平台的静特性分析等。随着对ANSYS工程应用的深入，我们也摸索到如何基于 ANSYS平台进行二次开发更为有效。 我们的实践表明，采用像ANSYS这样的先进分析手段，能够使我们更快地消化已经引进专利的设计技术与制造方面的绝巧（Know-how）。 结构模型参数化技术 2.1 参数化的需求分析 产品的系列化、标准化，从数字化设计来说，最根本的事情是建立产品结构的参数化模型。不管是引进产品图纸，还是产品模仿设计，直至建立生产线，作为“世界制造工厂”的中国，已经变得十分快速。对于产品结构设计（CAD），做到几何模型参数化，已经成为设计师最容易实现的基本要求。但是，结构分析（CAE）是产品性能评定与优化的最重要环节，也是消化专利与制造“绝巧”的基本手段，要求参数化模型与FEA离散化数值模型相结合，才有真正的实用意义。由于机械设计分析与数值化制造过程的复杂性，如何引进可对产品性能进行优化（包括系列化与标准化）的参数化模型，成为专业设计师与分析师最为关注的事情。 作为结构件局部分析，必须引进局部的边界条件，以建立理想化的分析模型。但是，从总体分析来看，局部的边界条件往往使结构的实际传力状况发生扭曲，结构件之间的弹性连接变为了刚性连接，无法正确反映结构件之间的实际连接关系。利用结构件的这种局部分析结果评估结构整体承载作用力后的结果，往往导致较大的误差。因此，结构件分析不能替代整体分析，已成为设计人员的共识；在工程设计中，整体结构分析由于规模大、难度高，往往成为十分迫切与关键的瓶颈问题。今天大容量、高速度计算机技术的发展使整体分析变为十分现实的问题，飞机的整体分析[4]，起重机及汽车的整体结构分析，都是这类结构分析的典型例子。因此，引进可对结构件与整机性能进行优化的参数化模型，不仅是必需而且也可能了。 汽车起重机、矿用重型汽车、越野载重汽车，作为一类“大力神”产品，具有其特殊的作业环境，要求良好的力学性能，包括刚度、应力水平、变形、抗干扰性能等。对于工程设计人员来说，零件、结构件及整机的力学性能如何？会不会因强度不够造成破坏事故？引进可对结构件与整机性能进行优化的参数化模型，就能帮助他们回答所关心的问题。汽车起重机的主要承力结构件是吊臂、转台、车架。矿用重型汽车、越野载重汽车的主要承力骨架是整体车架，它们又是许多结构件的组合，包括支撑架、前车架、中车架、尾架及若干子构件。结构件有限元分析往往只是产品设计的基础性分析。整体分析是工程师们面临的最直接、最重要的问题。汽车起重机整机分析的对象包括若干个受力结构件和机构( 回转、变幅、伸缩、起升等)；最危险的工况是起重作业工况，力的传递路线是：重物(吊臂(变幅油缸支撑(高架转台(回转支撑(底架(支腿(垂直油缸(地面；矿用重型汽车、越野载重汽车的传力路线实际上包括了整车的各严重工况（静满载、转弯、爬坡、刹车）。因此，整体分析往往非常复杂。参数化模型使设计人员在设计过程中能较快地预测整体结构在不同工况（特别是严重工况：路况与作业）下结构应力水平与变形，以便完善与优化总体设计，解决自己最急迫而又难以实现的事情。 车用铝胆复合材料气瓶是今天最受欢迎的环保产品。它最为复杂的技术是铝胆与复合材料的合理设计及各种使用条件的数字化仿真。建立结构的参数化分析模型，车用铝胆复合材料气瓶的整