黃建民

(上海電氣集團(tuán)股份有限公司中央研究院,上海200070)

有限元技術(shù)的發(fā)展及其在裝備制造業(yè)中的應(yīng)用

黃建民

(上海電氣集團(tuán)股份有限公司中央研究院,上海200070)

結(jié)合有限元法的發(fā)展歷程,介紹有限元法的發(fā)展趨勢(shì)和研究進(jìn)展,概括有限元法的特點(diǎn),并以風(fēng)電、曲軸、核電等裝備產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)為例介紹了其應(yīng)用前景,總結(jié)了有限元分析技術(shù)在裝備制造業(yè)的綜合應(yīng)用方向,指出應(yīng)大力推進(jìn)有限元分析技術(shù)及軟件的科學(xué)研究和工業(yè)化應(yīng)用。

有限元分析;裝備制造;趨勢(shì)

Abstract：The development and features of FEM are discussed.Applications of FEM in equipment manufacturing industry is studied,particularly in generation of wind power,crankshaft and nuclear power.It is concluded that use of the finite element analysis should be promoted in scientific research and industrial applications.

Key words:finite element analysis(FEA);equipment manufacturing;trend

我國制造業(yè)已經(jīng)進(jìn)入全球性的經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)大環(huán)境,企業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈。企業(yè)要想在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地,求得生存和發(fā)展,就必須不斷地快速開發(fā)出滿足用戶需求、技術(shù)上過硬、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)和經(jīng)濟(jì)效益好的新產(chǎn)品。面臨這種嚴(yán)峻挑戰(zhàn),要求不斷地發(fā)展和應(yīng)用先進(jìn)的生產(chǎn)制造技術(shù)來適應(yīng)這一需求,而有限元分析技術(shù)就是實(shí)現(xiàn)重大工程與工業(yè)產(chǎn)品的建模、計(jì)算分析、模擬仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)、支持工程技術(shù)人員進(jìn)行創(chuàng)新研究和工程師進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)的重要工具和手段。

隨著計(jì)算機(jī)性能的不斷提高,有限元分析技術(shù)在裝備產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造中得到了更加廣泛的重視,已成為解決復(fù)雜工程問題的有效途徑,其在核電、火電、風(fēng)電、機(jī)床、紡機(jī)、印刷包裝機(jī)械等領(lǐng)域的廣泛使用已使裝備產(chǎn)品的設(shè)計(jì)水平發(fā)生了質(zhì)的飛躍[1]。

1 有限元的發(fā)展

目前,有限元方法已經(jīng)發(fā)展并應(yīng)用到幾乎所有的技術(shù)領(lǐng)域,從最原始的桿系結(jié)構(gòu)、彈性力學(xué)平面問題、空間問題、彈性薄板和薄殼,到流體力學(xué)、熱傳導(dǎo)、非線性及塑性力學(xué)、巖石力學(xué)、土力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、彈性穩(wěn)定、斷裂力學(xué)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面,都有非常成功的應(yīng)用。

有限元的理論發(fā)展于20世紀(jì)60年代,到20世紀(jì)70年代產(chǎn)生了可以應(yīng)用到工程領(lǐng)域的有限元程序和軟件,并快速發(fā)展至今,軟件的圖形界面、功能模塊和前后處理能力都得到了大幅度的提升[2]。通用的有限元軟件在快捷性、準(zhǔn)確性和運(yùn)行環(huán)境的友好性方面都可以滿足客戶的需求,解決項(xiàng)目問題。通用的有限元分析軟件主要有MARC,COSMOS,NASTRAN,ANSYS,ADINA,ABAQUS等。

2 有限元軟件的功能

有限元分析技術(shù)產(chǎn)生于工程分析技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合。有限元軟件是基于有限元分析技術(shù)的綜合性信息產(chǎn)品,其基礎(chǔ)是有限元理論,框架是數(shù)字計(jì)算方法。隨著計(jì)算機(jī)性能的提高和CAD、逆向工程(RE)/快速成形(RP)/快速模具(RT)、CAM、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)和物資資源管理(ERP)技術(shù)的快速發(fā)展,有限元分析技術(shù)逐漸與這些應(yīng)用技術(shù)相融合,成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要工具。

有限元軟件和程序在性能、功能、應(yīng)用上均達(dá)到了一定的層次。通用的有限元軟件可以調(diào)用CAD軟件中的模型數(shù)據(jù)和參數(shù),實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格要求設(shè)置、自動(dòng)劃分與優(yōu)化,合理地施加載荷邊界,定義材料的特性,實(shí)現(xiàn)不同的工況計(jì)算,對(duì)具體的專業(yè)問題實(shí)現(xiàn)用戶子程序的調(diào)用、專業(yè)的二次開發(fā)等;求解器具有適合不同分析問題的算法功能;后處理器程序部分能夠給出工程人員需要的圖表技術(shù)結(jié)果。從軟件的性能來看,可完成線性與非線性問題、靜力與動(dòng)力問題、復(fù)合材料、復(fù)雜邊界條件、耦合場(chǎng)問題的求解[3]。

應(yīng)用這些軟件和程序,技術(shù)人員能在產(chǎn)品完成初步設(shè)計(jì)后分析產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特性,模擬產(chǎn)品的運(yùn)行狀態(tài),發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的缺陷并對(duì)其優(yōu)化,確定工程的可行性和零件性能的可靠性,包括工程數(shù)值模擬、系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與過程優(yōu)化、強(qiáng)度校核與壽命分析[4-5]。

3 有限元分析技術(shù)在裝備產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用

3.1 工程數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)和分析

應(yīng)用工程數(shù)值模擬的有限元分析等技術(shù)計(jì)算產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變、變形等數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)裝備部件的線性、靜力計(jì)算分析,非線性、動(dòng)力的計(jì)算仿真。

應(yīng)用有限元分析技術(shù),對(duì)大型船用曲軸精加工工藝及其技術(shù)進(jìn)行全面的實(shí)驗(yàn)和分析,定量地試驗(yàn)和研究各種影響因素對(duì)曲軸變形和調(diào)校的影響[6],找出其中的關(guān)聯(lián)規(guī)律,為曲軸精加工的調(diào)校和加工工藝提出指導(dǎo)意見,優(yōu)化了加工工藝,曲軸精加工周期從135天縮短至5天,質(zhì)量合格率為100%。圖1為精加工的船用曲軸支撐異常情況分析。

圖1 精加工的船用曲軸支撐異常情況分析Fig.1 Analysis of abnormal support in finish mashing of crankshaft

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和過程優(yōu)化

應(yīng)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與過程優(yōu)化的方法在滿足裝備產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造工藝的約束條件下,對(duì)零件的結(jié)構(gòu)、加工工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),使零件的結(jié)構(gòu)性能、工藝流程達(dá)到最優(yōu)?，F(xiàn)代結(jié)構(gòu)優(yōu)化已經(jīng)形成了專門的工程可行性和部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的系統(tǒng)軟件。

針對(duì)多用途起重機(jī)通用型主梁這種復(fù)雜產(chǎn)品,制定模塊化設(shè)計(jì)的劃分、編碼等原則,實(shí)現(xiàn)模塊化、參數(shù)化設(shè)計(jì),在滿足工藝、設(shè)計(jì)的約束條件下,運(yùn)用過程優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法建立基于有限元軟件的主梁參數(shù)化建模與分析專家系統(tǒng)軟件,優(yōu)化其結(jié)構(gòu),減輕其重量,保證設(shè)計(jì)的可靠性和產(chǎn)品的安全性等。圖2為多用途起重機(jī)通用型主梁參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)界面。

圖2 多用途起重機(jī)通用型主梁參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)界面Fig.2 Main interface of parametric design program used for general girders

3.3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與壽命評(píng)估

應(yīng)用結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核與壽命分析的理論和方法對(duì)裝備產(chǎn)品的安全性、運(yùn)行可靠性以及產(chǎn)品壽命做出評(píng)價(jià)與分析。

由于裝備產(chǎn)品的質(zhì)量、形狀、經(jīng)濟(jì)性、運(yùn)行速度、可靠性的不斷提高,以及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核與壽命分析已必不可少。在火電、核電、風(fēng)電等關(guān)鍵部件的開發(fā)中,需要確定的不僅是產(chǎn)品的強(qiáng)度信息,還包含設(shè)備的運(yùn)行壽命等指標(biāo),需要運(yùn)用集成了相關(guān)的理論、方法、行業(yè)上的規(guī)范以及材料的數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與壽命評(píng)估。

以2 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的偏航軸承系統(tǒng)為研究對(duì)象,以Ansys和Matlab軟件為平臺(tái),根據(jù)給定風(fēng)機(jī)軸承系統(tǒng)的工作圖紙,建立有限元模型,如圖3所示;通過研究工作過程中的承載方式,建立軸承系統(tǒng)的載荷條件和邊界約束條件,研究軸承滾動(dòng)體與滾道的接觸方式,由此得出偏航軸承靜態(tài)承載能力和使用壽命,繪制了軸承部件的靜載荷承載曲線、壽命曲線(見圖4),為風(fēng)電偏航軸承、變槳軸承和主機(jī)軸承的國產(chǎn)化制造提供了技術(shù)支持。

3.4 運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真

應(yīng)用運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的理論、方法,對(duì)由柔性體和剛性體組成的復(fù)雜裝備產(chǎn)品進(jìn)行仿真,給出部件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、速度加速度和動(dòng)反力的數(shù)據(jù)等。

在建立的仿真模型的基礎(chǔ)上形成了裝備產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)仿真,模擬機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力過程的仿真環(huán)境,全面地模擬實(shí)際制造和運(yùn)行過程中的結(jié)構(gòu)、制造信息,獲得力、速度、加速度、效率、反饋信號(hào)的處理等數(shù)據(jù)。

利用有限元分析軟件與其他計(jì)算機(jī)輔助工程軟件結(jié)合,建立了兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)仿真模型,完成了空氣動(dòng)力學(xué)風(fēng)速模型和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大風(fēng)能捕獲、轉(zhuǎn)速控制和功率控制策略[7],實(shí)現(xiàn)了基于軟件平臺(tái)的同步聯(lián)合仿真(如圖5所示),提高了風(fēng)資源利用率,最大限度地實(shí)現(xiàn)可再生能源的開發(fā)和利用。

圖5 兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組聯(lián)合仿真Fig.5 Simulation of MW wind-mill generators

4 有限元分析技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著有限元技術(shù)應(yīng)用的不斷擴(kuò)大,其發(fā)展呈現(xiàn)如下特點(diǎn)[8]:

(1)單一場(chǎng)計(jì)算向多物理耦合場(chǎng)問題的求解發(fā)展。有限元分析技術(shù)應(yīng)用在裝備產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造中,主要是求解線性的結(jié)構(gòu)問題,但根據(jù)火電、風(fēng)電、核電等裝備產(chǎn)品的極端性、復(fù)雜性、多場(chǎng)性特點(diǎn),結(jié)構(gòu)非線性,流體動(dòng)力學(xué)和耦合場(chǎng)問題的應(yīng)用迫在眉睫,如汽輪機(jī)葉片、風(fēng)機(jī)槳葉的流體動(dòng)力學(xué)問題、流固耦合問題,重型裝備產(chǎn)品熱加工過程的熱、結(jié)構(gòu)、電磁多場(chǎng)耦合的問題。隨著有限元技術(shù)的深層次應(yīng)用,需要解決的工程問題也越來越復(fù)雜,耦合場(chǎng)的計(jì)算求解必定成為有限元軟件開發(fā)的發(fā)展方向。

(2)與CAD/CAM等軟件的集成。有限元分析軟件的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是與通用計(jì)算機(jī)輔助工程軟件的集成使用,即數(shù)據(jù)信息在整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造過程中的無縫多向流通,實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品開發(fā)中三維設(shè)計(jì)、有限元分析優(yōu)化、數(shù)控加工等過程的快速響應(yīng),滿足工程師快捷地解決復(fù)雜工程問題的要求,提高設(shè)計(jì)水平和效率。

(3)提高自動(dòng)化的網(wǎng)格處理能力。應(yīng)用有限元技術(shù)求解問題過程中,產(chǎn)品幾何模型離散后的有限元網(wǎng)格質(zhì)量直接影響著計(jì)算量的大小和分析結(jié)果的正確性。各軟件公司在網(wǎng)格處理方面的投入也在加大,劃分網(wǎng)格的效率和質(zhì)量都有所提高,但在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中,尤其是專業(yè)領(lǐng)域復(fù)雜產(chǎn)品的分析中還存在問題,如網(wǎng)格劃分的自動(dòng)化、網(wǎng)格質(zhì)量檢查的標(biāo)準(zhǔn)化。要想擺脫裝備產(chǎn)品分析中繁重的網(wǎng)格處理任務(wù),就必須突破自動(dòng)六面體網(wǎng)格功能的技術(shù)瓶頸,實(shí)現(xiàn)可循環(huán)的網(wǎng)格自動(dòng)優(yōu)化功能。

(4)軟件面向?qū)I(yè)用戶的開放性。有限元軟件應(yīng)用的技術(shù)領(lǐng)域多,用戶需求各不相同,因此開放的軟件環(huán)境對(duì)用戶而言至關(guān)重要,用戶可根據(jù)企業(yè)產(chǎn)品的特點(diǎn)對(duì)軟件進(jìn)行二次開發(fā),實(shí)現(xiàn)單元屬性、材料參數(shù)、復(fù)雜邊界、疲勞壽命規(guī)律的自定義和產(chǎn)品專家系統(tǒng)的自開發(fā)。

(5)軟件開發(fā)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合。根據(jù)有限元軟件在裝備行業(yè)的應(yīng)用情況,有限元軟件之間的強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合必將更加有效推進(jìn)有限元技術(shù)的應(yīng)用,隨著數(shù)值模擬軟件的商業(yè)化和軟件公司開發(fā)方向的專業(yè)化,各數(shù)值模擬軟件公司將會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合的局面,以解決復(fù)雜裝備產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造難題。

5 結(jié) 語

有限元分析技術(shù)及其軟件的應(yīng)用可以增加工程的可行性和裝備產(chǎn)品的可靠性,在零件設(shè)計(jì)后就可以通過模擬發(fā)現(xiàn)問題,并進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化,減少了試驗(yàn)經(jīng)費(fèi),降低了產(chǎn)品開發(fā)的成本,縮短了投向市場(chǎng)的時(shí)間。對(duì)此,發(fā)達(dá)國家已達(dá)到了較為成熟的階段,工業(yè)化應(yīng)用已相當(dāng)普遍。在我國裝備制造行業(yè)有限元技術(shù)還有待進(jìn)一步開發(fā),我國的制造業(yè)要想在激烈的國際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占有一席之地,就必須跟上現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的步伐,對(duì)有限元技術(shù)予以足夠的重視。因而,大力推進(jìn)有限元分析技術(shù)的科學(xué)研究和工業(yè)化應(yīng)用勢(shì)在必行。

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Development of the Finite Element Analysis and Application in Equipment Manufacturing Industry

HUA NG J ianmin
(Shanghai Electric Group Co.,Ltd.Central Academe,Shanghai 200070,China)

TB 115

A

2010-05-13

上海市科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(08DZ1120403)

黃建民(1957-),男,教授級(jí)高工,上海市科技帶頭人,專業(yè)方向?yàn)樽詣?dòng)化控制,E-mail:huangjianmin@secca.cn

1671-2730(2010)03-0177-05