材料加工过程计算机模拟的现状与未来

第5卷第2期1998年6月

塑性工程学报

JOU RNAL O F PLA ST I C IT Y EN G I N EER I N G

V o l15　N o12

Jun1　1998

材料加工过程计算机模拟的现状与未来

(清华大学机械工程系,北京100084)胡　忠

摘　要　本文系统分析了材料加工过程计算机模拟对于制造业发展的意义和作用,计算机模拟技

术所研究的内容和现状,并探讨了材料加工过程计算机模拟从单元技术到整体集成的发展趋势和

研究策略,以此推动先进制造技术中的重要技术支柱——虚拟制造技术的发展。

关键词　材料加工　计算机模拟　虚拟制造　CA E　有限元　系统集成

1　前　言

先进制造技术是制造业赖以生存、国民经济得以发展的主体技术,是当代科学技术发展最活跃的领域,是国际上高技术竞争的重要战场。一个以制造技术为焦点的技术竞争已在工业发达国家之间展开,许多发展中国家也深切体会到发展先进制造技术的重要性和紧迫性,因而制定了战略发展的规划。

90年代初出现的虚拟制造技术是先进制造技术的重要标志之一。虚拟制造与实际制造在本质上完全不同,它是在计算机仿真与虚拟现实技术支持下,在计算机上进行产品设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验等,是在计算机上实现将原材料变成产品的虚拟现实过程,使得制造技术走出主要依赖于经验的狭小天地,进入全方位预测,力争一次成功的新阶段,从而缩短产品周期,减少费用,提高质量。可以预言,虚拟制造技术将继计算机网络技术与数据库技术成为先进制造技术的第三大技术支撑环境。

新一代的材料加工技术是先进制造技术不可缺少的重要组成部分。据统计,全世界75%的钢材经塑性加工,45%的金属结构用焊接得以成型。我国有6000家以上的规模化专业铸造锻压工厂,材料加工是发展汽车、电力、石化、造船、工程机械等支柱产业的重要基础。据测算,到2000年汽车重量的65%以上仍将由钢材、铝合金、铸铁等通过锻压、焊接、铸造等材料加工方法而成形。

材料加工与以切削为主体的冷加工相比,其特点是:从质量评价标准上,在保证零件尺寸形状精度和表面质量的同时,更注重保证零件和结构内部组织性能和完整性;在产品和零件设计上,更强调针对复杂型腔和曲面的能力;在工艺过程中,除了运动和外力作用等因素,还涉及温度场、流场、应力应变场及内部组织的变化;生产环境恶劣,控制因素多样。以上特点反映了材料加工过程对综合自动化和信息集成的需求和复杂性,因此,了解材料加工过程计算机模拟的现状以及在虚拟制造技术中的地位和作用,掌握未来的发展方向,对于推动我国先进制造技术的进步,赶超世界先进水平,具有十分重要的意义。

2　材料加工过程计算机模拟是制造业发展的产物

长期以来,对于工程师们来说,设计或开发一个产品,通常所采用的方法是:根据设计者的个人经验和采用一些比较简单的经验公式或设计规则,

设计产品的工艺方案。因此,当

产品的形状比较复杂和质量要求较高时,或需要开发新产品或新工艺时,设计人员只能在提出初步的工艺设计方案后,用费时费钱的试错方法,在试生产中通过反复修改调试,方能获得较为满意的结果。传统的产品开发过程如图1所示。研究表明,许多关键的决策是在产品设计过程的前期,只花费了很少比例的开发经费时做出的,并往往决定了产品的最终市场的成败。因此,产品开发中早期决策的正确与否至关重要。

图1　传统的产品开发过程

F i 6g 11　T raditi onal engineering p rocess 1

如今,世界范围内激烈的市场竞争,使产品开发者们面临着全新的产品设计和生产工艺,并且必须在很短的时间内,在几乎没有前人经验的情况下进行工作,由于产品的更新更加频繁,材料更难以加工,且越来越多的复杂零件需要精密成形,而允许用于进行实物实验的时间被大大地缩短,因此,必须有效的提高产品开发者们的工作效率,以适应市场竞争的需要。

生产率的高低由诸多因素所决定,它包括劳动力的构成和教育,资金的投入,所从事的工种,管理制度和劳动者的工作态度等,其中技术是决定性的因素,远比任何其它因素重要。据大多数专家认为,对于生产率的影响程度,劳动力占14%,资金占27%,而技术占59%。为此,世界各国尤其是发达国家投入了大量资金,开发计算机辅助工程(CA E )软件,这些分析工具使产品开发者们在制造和试验样品之前,能准确评价不同的设计,从而能选择最佳设计,工艺反复可以在计算机中通过工艺模拟来实现,而不是在实验室或车间中用实物模拟来实现,各种不同的设计方案可以在进行耗资的实物制造和试验之前,在计算机上模拟工艺的全过程,从而使设计者可以分析工艺参数与产品性能之间的关系,观察成形情况以及是否产生内部或外部的缺陷,进而修改工艺及模具直至满意状态,计算机模拟对于保证产品质量,减少材料消耗,提高生产率及缩短产品开发周期等方面显示了显著的优越性,因此,传统的试错法正被现在的方案设计、预测和制造的产品开发的新原则所取代(如图2所示)。

图2　现在的产品开发过程

F ig 12　Today’s engineering p rocess 1

2塑性工程学报第5卷

制造系统是一个复杂的巨系统,具有层次性和结构性。从内部功能来看,它包括市场决策分析、快速报价体系、生产计划管理、产品设计制造、物流与库存控制、销售信息系统、售后服务系统以及组织和实施生产的行为模式。然而“设计”和“制造”则是制造系统最基础的行为,设计制造系统是制造的核心,生产力的进步与发展最终体现在产品的设计和制造技术的进步与发展。

并行工程将设计和制造紧密联系在一起,而工艺模拟使并行工程成为可能(如图3所示)。选用合适的CA E 工具可使并行工程易于实现。使用CA E 工具,产品开发者便可在获得

图3　设计和制造的并行工程及计算机模拟

F ig 13　Concurrent si m ultaneous engineering and CA E fo r design m anufacturing 1

对设计和加工更多的知识和了解的情况下,选择更好的工艺,并对早期工艺设计作出准确的关键决策。此外,并行工程还有助于避免那些难以加工和不经济的工艺设计。

随着CA E 软件的不断发展,已有可能将所有的主要单元集成为单一的CA E 系统,为产品开发者提供一个高效快速的设计制造平台,以适应激烈的市场竞争的需要(如图4所示)。一个集成的CA E 系统的单元主要包括:图形系统,如用于设计和显示所规划的加工工艺的三维实体造型器或CAD 系统;各种图形系统之间的数据传输程序;根据存储零件的图形描述生成有限元模型的前处理器;用于各有关的加工工艺的模拟分析工具;加工工艺模拟结果的后处理或图形输出显示;控制大量的图形、材料特性和前后处理输出的数据库管理;在新技术新方法方面的人员培训;软件系统的维护和技术支持,这对于复杂的加工过程的模拟尤为重要,当有问题时还需对用户热线支持。

一个CA E 系统总是随着时间的推移,由于计算机软硬件的不断发展而逐渐发展和完善的,因此,对于其在制造工程中的实施和应用也是分阶段的,这样才能保证制造业不断的提高效益,增强市场竞争能力(如图5所示)。需要强调的是,实施CA E 方法将花费更多的时间在工艺设计和分析阶段,使早期决策更正确,而不是使产品开发工作完全自动化。

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