Solidworks設計分析一體化

2013-06-11 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

產品開發過程瓶頸 - 原型機開發及測試

新產品投入生產之前,需要進行原型機測試,以確保產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,而其它測試(例如結構完整性測試)可能需要功能齊全的物理原型機。功能齊全的原型機比較昂貴,需要較長的制造時間,并會延長產品開發周期。尤其在需要許多原型機時更是如此。原型機測試通常會發現一些設計上的問題,這就要求重新制造原型機并進行測試以檢查修改后的設計。通常,在產品設計最終定型之前,需要經歷數次成本高昂的設計-原型機迭代。

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圖片1 由Bucyrus International, Inc.提供

隨著二十世紀九十年代信息技術的高速發展,產品開發過程從原型機制造-測試過程發展成為一種全新的產品開發方法,即借助計算機輔助設計(CAD) 技術來開發產品。工程師開始使用有限單元方法(通常稱為有限單元分析(FEA))來分析目標設計的計算機模型,從而節省了制造和測試原型機所需的費用和時間。利用FEA,工程師可以在各種強度下仿真設計模型的反應,并使用這些結果來改進設計性能,最大程度地減少對物理原型機的需求。

什么是設計分析?

用最簡單的話來說,設計分析是一種用于在計算機上模擬物理行為的強大的軟件技術。它會壞嗎?它會變形嗎?它會不會變得過熱?對于這些類型的問題,設計分析能夠給出明確的答案。工程師不需要制造原型機并精心制訂測試計劃來分析產品的物理行為,只需在計算機上快速而精確地獲得這些信息。由于設計分析可以最大限度地減少甚至避免對物理原型機和測試的需要,因此,在過去的十年中,這種技術已成為主流技術,在制造業作為一種重要的產品開發工具使用,并且幾乎應用于所有工程領域。

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在圖2中,紅色區域表示潛在的故障機械工程領域最常用的設計分析應用程序是應力分析。工程師通過對某個零件的應力(包括結構應力和熱應力)進行研究,確定它是否會出現故障以及是否需要對設計進行修改以避免這些潛在問題的發生。設計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模式、動力特性和地震反應、接觸應力、溫度分布等等。同時,設計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。設計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行這些類型的研究中的任一種。所需的只是一個由計算機輔助設計軟件(CAD)產生的數字模型。

設計分析一體化

早期的設計分析軟件包是相互獨立且專業程度非常高的應用程序,與計算機輔助設計軟件并不相連。自二十世紀九十年代中期起,隨著以下重大技術的發展,行業主流開始從物理原型機轉變為三維設計分析:

    - 三維實體建模軟件變得更強大、價格更低廉、更易于使用;

    - 設計分析軟件更強大、價格更低廉,更易于非專業人士使用;

    - Microsoft? Windows? 操作系統使用戶在PC上使用CAD和分析應用程序成為可能;

    - 計算機硬件性能更加強大、穩定,價格更低廉。

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圖3 CAD 和分析集成在一個窗口中

今天,臺式機達到了二十世紀八十年代大型機的計算能力,價格卻只是大型機的零頭。高級設計分析工具的發展,使得制造商可以充分利用價格適中的計算能力以及主流設計分析的優勢。強大的組合利用3D 實體建模和設計分析軟件結合所產生的強大功能,工程師現在可以在計算機中測試設計,而不需要對設計進行原型機-測試迭代。 CAD 模型變成了虛擬的原型機,并且分析設計已經替代了物理測試,實現了更快、成本更低廉、效果更佳的產品開發。這樣,產品更具創新性,更可靠,更適合市場需要。

不再只是專家的任務

對于設計分析軟件使用的理解有很多誤區。許多工程師認為基于FEA 的設計分析非常深奧、代價昂貴且難以使用。某些工程師認為設計分析軟件一般只有博士才會操作,僅適用于大型企業,而對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 的設計工程師中,十個中有七個持有這種看法。

在這種認識下,許多工程師直接將未經測試的設計應用于原型機,甚至直接投入生產,為此危及到產品質量和重要的客戶關系。在其它一些情況中,設計人員只是因循守舊,復制已過時的產品,傾向于堅持過去有效的觀念,而不愿意努力創新。不優化產品設計會導致費用增加,例如使用過多的原材料,而本來通過實施設計分析并優化設計可以減少這些不必要的開支。某些3D CAD 軟件包中免費提供一些分析功能。隨著越來越多的工程師開始重視設計分析工具,對設計分析的誤解在逐漸消失。

如果在設計周期的前期階段實施設計分析,可以實現最大的優勢,因為那個時候對設計進行更改最容易并且最節約成本。結合實體建模執行分析時,設計工程師可以利用分析結果來修正、改進或優化設計。在過去許多年內,設計分析僅限于非常專業的分析人員使用。他們在設計工程師完成了設計任務以后對模型進行分析。使用這種方法時,由于設計人員和分析人員之間反復進行修改-分析工作,因此浪費了大量的時間,特別是需要在另一套分析軟件包中重新創建實體模型時。

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圖4

用戶可以通過工具(例如SolidWorks eDrawings)與設計小組的其他成員交流分析結果不過,近些年來,在概念設計中使用設計分析的優勢變得非常明顯。設計工程師在針對目前先進的集成分析系統接受適當的培訓后,可以具有比分析人員更好的優勢。他們可以在設計迭代過程中利用分析結果來修改實體模型。由于設計工程師直接參與對自己的設計的分析,因此整個周期大為縮短,并且可以確保在設計過程中根據分析結果立即對設計進行修改。設計分析技術以多種方法打破了傳統工程部門之間的界線。繪制草圖、設計和分析產品設計在傳統上是由不同人員執行的獨立任務,而功能強大、易于使用、價格適中的CAD 和設計分析軟件使所有工程部門之間能夠更緊密地進行協作。分析人員可以繼續發揮重要作用,他們可以著手進行更高級、更耗時的分析工作。

    評估設計分析軟件

市場上有許多不同的設計分析程序。制造企業應如何評估并選擇最合適的分析軟件包作為自己的設計工具呢?在設計流程中實施哪一種設計分析軟件包可以獲得最大的投資回報率? 評估和選擇設計分析軟件時,需要考慮若干重要因素:

設計分析軟件包應該與CAD 系統集成。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、不可預測、容易發生錯誤,并且不能提供CAD 和分析模型之間的雙向相關性。在兩者之間建立直接接口是最佳的選擇。僅當CAD 軟件是基于特征的、參數化的、完全關聯的實體建模工具時,集成設計分析軟件包才能發揮良好的作用。利用這些類型的CAD 系統,設計工程師可以暫時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 模型的參數特性輕松地比較不同的設計配置。在真正集成的系統中,CAD 軟件成為分析應用程序的主程序。這樣,不但可以進行快速的設計分析迭代,同時可以大大縮短培訓時間,因為所有幾何體功能都在熟悉的CAD 軟件包中執行(一般來說,這是設計分析中最耗時的部分)。

設計分析軟件應該易于使用,同時應該允許用戶介入。集成設計分析軟件應該為用戶提供控制網格化、單元類型和順序、理想化方案和所需求解方法的功能。雖然在大多數情況下用戶可以接受高級設計分析軟件提供的默認選擇,但用戶還是應該能夠在需要或者想要介入時控制具體的分析任務。

設計分析軟件應該提供優秀的自動網格生成工具和快速求解工具。有限單元網格的質量是產生精確分析結果的基礎,而快速求解工具則是及時生成分析結果的重要因素。兼備優秀的自動網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格前的幾何體準備工作的需求。即使大型的CAD 模型都可以使用快速自動網格生成工具和快速求解工具來生成網格和求解。

"與我們以前使用的方法相比,COSMOS 的最大優勢在于時間的節約。它的速度非常快, 并且易于使用。我們能夠運行20 次分析,以便發現問題所在并解決問題。" -------Fanuc Robotics NA 高級工程師 Don Bartlett

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圖5

設計分析軟件應該能夠執行大多數常見類型的分析。分析系統應該具有多強大的功能?工程師有時候會嘗試選擇一個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的分析人員,高端分析軟件包可以發揮很好的作用,但在產品開發過程中與CAD 結合使用時,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需求的軟件包,而不愿意選擇功能最強大的分析軟件。

在大多數設計分析并行過程中執行的分析類型包括:

    - 線性應力分析

    - 接觸應力分析

    - 頻率模型分析

    - 穩態熱力分析

    - 失穩分析

集成設計分析系統應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的分析功能。例如,如果偶爾某個項目要求更高級類型的分析(例如非線性分析或動態分析),但該分析過于復雜,設計工程師無法實現設計過程,在這種情況下,就需要更高級類型的分析功能。安排經過良好培訓的分析人員來處理復雜分析是非常明智的。要求進行更高級的分析時,集成設計分析軟件包能夠幫助設計工程師和分析人員實現相互之間的數據交換,而不需要重建或轉換模型。因此,在理論上,集成設計分析軟件包可以作為大規模分析工作的一部分。

設計分析軟件還應該集成用于將設計意圖傳達給產品開發部門中的其他成員的工具。分析軟件包還應該提供能夠有效地、簡潔明了地呈現結果的工具。自動生成報告和結果的功能使任何人都無須使用分析軟件,在標準的辦公環境軟件中即可查看分析結果。結果文件應該以標準圖形格式創建,例如.html(Internet圖形)和.avi(動畫)。用戶應該能夠訪問和使用分析專門技術和資源。設計分析軟件包是否提供了獨立于軟件供應商的在線幫助系統、電話技術支持以及用戶組和顧問的訪問?評估和選擇設計分析系統的最后一項考慮因素是成本。設計分析軟件不應該過于昂貴,無論是許可證成本、實施成本,還是培訓成本。但是,價格不應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的成本遠遠超過了在購買價格上節約的成本。同時,還應該考慮預期的投資回報率。

價格稍微貴一些的軟件包在使用中所實現的成本節約收益,很有可能遠遠超出在采購價格上節約的成本。

SANDIA National Laboratories(山迪亞國家實驗室)說,以前使用某個競爭對手的分析產品時,花費了五個月的時間但只實現了 90% 的目標。轉而使用 COSMOS 軟件后, SANDIA National Laboratories 能夠在一周內完成對一個由306個零件組成的極其復雜的實體模型的分析。

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圖6

概括來說,評估和選擇設計分析系統時,應考慮以下因素:

    CAD 系統應該:

    - 是基于特征的、參數化的、完全關聯的實體建模工具

    - 能夠創建所有幾何體以執行CAD 和分析功能
    - 能夠在設計和分析模型之間切換,同時保持幾何體的鏈設計分析軟件包應該:

    - 與基于特征的、參數化的、完全關聯的實體建模工具相集成

    - 能夠最大限度地減少具體分析任務中用戶介入的需求,但必須為用戶提供在必要時控制分任務的工具

    - 集成高級網格生成工具和快速求解工具選項

    - 能夠處理所有常見類型的分析,例如靜態、頻率、失穩、接觸和熱力

    - 能夠進行擴展,以便與分析人員使用的高端分析軟件包相結合

    - 集成用于將設計意圖傳達給產品開發部門中的其他成員的工具

    - 能夠提供良好的用戶支持