馬 超，郭敬迪，門轉(zhuǎn)平，王建杰

(中色科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

計算機輔助工程技術(shù)(CAE，Computer Aided Engineering)，是一個集多學科與工程技術(shù)于一體的綜合性、知識密集型技術(shù)。CAE分析技術(shù)使復(fù)雜的計算過程層次化，使大量繁雜的工程分析問題簡單化，節(jié)省了設(shè)計人員的大量時間。工程與制造企業(yè)的生命力在于產(chǎn)品的創(chuàng)新，而實現(xiàn)創(chuàng)新的關(guān)鍵，除了設(shè)計思想之外，還需要先進可靠的技術(shù)手段。而CAE技術(shù)作為企業(yè)創(chuàng)新和轉(zhuǎn)型的最基本手段和工具，在產(chǎn)品設(shè)計、分析、新產(chǎn)品的開發(fā)等方面發(fā)揮了重要作用。通過對產(chǎn)品進行可靠性分析、性能分析，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計缺陷，并對其進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化以滿足產(chǎn)品的可靠性和耐久性。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，CAE技術(shù)在不同行業(yè)的拓展及應(yīng)用加強，該技術(shù)的應(yīng)用極大提高了產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量、性能，降低了產(chǎn)品的研發(fā)成本與開發(fā)周期。而傳統(tǒng)有色金屬加工裝備設(shè)計方法已不能滿足現(xiàn)狀，制約了國內(nèi)裝備技術(shù)的轉(zhuǎn)型升級，當前CAE技術(shù)逐步成為提升有色金屬加工裝備智能化設(shè)計水平的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1 常用的CAE軟件技術(shù)

隨著計算機智能化、前后處理、人機交互技術(shù)的進步、有限元算法的成熟以及各實用學科的突飛猛進，為虛擬仿真開發(fā)創(chuàng)造了條件，推動了CAE更高層次的發(fā)展，使工程分析更快、更準確。CAE分析范圍覆蓋了結(jié)構(gòu)、流體力學、多體動力學、工藝、裝備性能等方方面面。CAE軟件的類型可以分為3大類，分別是通用前后處理軟件、通用有限元求解軟件以及行業(yè)專用有限元軟件。

通用前后處理軟件，如Hypermesh，Hyperview，Ansa，Patran，TSV-Pre等，這些軟件有多種CAD格式接口和CAE求解器接口，適合多種求解類型文件的生成。

通常的有限元求解軟件包括：Abaqus、Adina、Algor、Ansys、Cosmos、MSC/NASTRAN、MSC/MARC、NEI/NASTRAN，這些軟件都有著各自的特點。在行業(yè)內(nèi)根據(jù)分析問題的不同，一般將其分為線性分析軟件和非線性軟件，例如Ansys、Algor在線性分析方面具有優(yōu)勢，而Abaqus、Nastran、Adina、Marc則在非線性分析方面各具適用的領(lǐng)域，其中Abaqus被認為是功能最強的非線性有限元求解軟件。

在常用的CAE分析軟件中，Abaqus與Ansys因為其友好直觀的界面，強大的分析功能占據(jù)了絕大部分CAE市場。Abaqus/CAE，Ansys/workbench擁有專用前后處理軟件，這類軟件是求解器廠商，專門為自己的求解器開發(fā)的前處理工具，將建模、分析、作業(yè)管理和記過的可視化處理整合在一起，實現(xiàn)分析過程與分析工具的高度統(tǒng)一和緊密結(jié)合，提高了軟件的集成性。Abaqus更傾向于從結(jié)構(gòu)設(shè)計工程師的角度考慮問題，適合于工程應(yīng)用；而Ansys則更加學術(shù)化，傾向于從有限元角度考慮問題，利于研究。如果分析對象是復(fù)雜的裝配體，Ansys/workbench還是首選。

2 CAE技術(shù)在有色金屬加工裝備智能化設(shè)計中的作用

CAE軟件在國內(nèi)主要應(yīng)用于汽車、航空航天、土木工程、電子等行業(yè)，以汽車行業(yè)為例，廣泛應(yīng)用于汽車設(shè)計與制造過程中的各個環(huán)節(jié)，如整車操作穩(wěn)定性、零部件結(jié)構(gòu)強度、整車震動與疲勞強度等方面。而有色金屬加工裝備的設(shè)計過程，CAE技術(shù)多數(shù)情況下是在研發(fā)后期進行設(shè)計校核，CAE在開發(fā)深度和使用效果方面遠沒有達到應(yīng)有的程度。 下面介紹CAE技術(shù)在有色金屬加工裝備設(shè)計過程中的作用。

(1)CAE技術(shù)可在裝備制造之前，模擬部件或裝備的性能和工作狀況，可減少傳統(tǒng)設(shè)計制造環(huán)節(jié)中的重復(fù)過程，使設(shè)備的大多數(shù)問題在設(shè)計階段通過仿真得到解決，提高設(shè)備設(shè)計質(zhì)量和性能，降低設(shè)備的研發(fā)成本、縮短開發(fā)周期。

(2)傳統(tǒng)設(shè)計中通常是依靠經(jīng)驗進行定性分析而缺少定量分析的設(shè)計方法，而CAE分析技術(shù)改變了這一現(xiàn)狀，使設(shè)備減重、綜合性能優(yōu)化成為可能。

(3)采用CAE分析計算能在短時間內(nèi)嘗試和比較多種設(shè)計方案，減少修改的盲目性，降低設(shè)計研發(fā)風險，更快獲得最佳的設(shè)計方案。

(4)靈活、方便、快捷的特點使CAE技術(shù)能夠為設(shè)計工程師提供大量仿真試驗數(shù)據(jù)和技術(shù)參數(shù)(其中有些數(shù)據(jù)甚至無法通過試驗獲取)，增加企業(yè)的經(jīng)驗積累和提高企業(yè)的設(shè)計能力。

(5)CAE可以對裝備所加工產(chǎn)品的質(zhì)量如鋁帶材受力變形后的板形、厚度分布情況進行模擬，也可以對裝備在施加力的情況下對鋁帶質(zhì)量的調(diào)控能力進行模擬，這樣可以提高裝備的應(yīng)用效能，增強了裝備做精做優(yōu)的能力。

3 CAE技術(shù)在有色金屬加工裝備設(shè)計中的應(yīng)用

CAE技術(shù)的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)的設(shè)計方法和理念，可以嘗試多種設(shè)計方案，減少盲目性的修改。同時該技術(shù)便捷、靈活的特點能為設(shè)計者們提供大量的模擬數(shù)據(jù)和技術(shù)參數(shù)，提升企業(yè)的經(jīng)驗和設(shè)計能力。下面結(jié)合CAE技術(shù)在有色加工裝備的設(shè)計優(yōu)化方面，以及在模擬有色加工裝備對加工產(chǎn)品質(zhì)量的影響與控制能力方面，分析以下應(yīng)用案例。

3.1 在設(shè)計優(yōu)化中的應(yīng)用

3.1.1 基于Ansys的4輥光整機牌坊的有限元分析

為了滿足板材的光整要求，獲得更高機械性能的4輥光整機牌坊。牌坊結(jié)構(gòu)研究采用 Ansys有限元分析軟件對4輥光整機牌坊進行建模，牌坊的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)采用計算機自動進行智能劃分，如圖1所示。并對其施加位移約束和最大應(yīng)用載荷，進行應(yīng)力強度和位移的有限元分析，找出機架承受最大變形及應(yīng)力數(shù)據(jù)，在立柱上部和上橫梁圓柱體的過渡圓角處顯示出了最大應(yīng)力(圖2)，最大應(yīng)力值在材料的屈服極限要求以內(nèi)，同時變形位移量滿足牌坊的剛性要求。通過Ansys進行牌坊結(jié)構(gòu)分析的有限元方法，可為4輥光整機牌坊的研究與設(shè)計提供參考依據(jù)[2]。

3.1.2 基于Abaqus的軋機彎輥和竄輥對軸承偏載的有限元分析

偏載現(xiàn)象是由于軋制力、彎輥力、軸向力和竄輥引起的受力不均等綜合因素導(dǎo)致的，嚴重影響了軋機軸承的可靠性與使用壽命。針對軋機工作輥的軸承，運用Abaqus分析軟件，結(jié)合實際工作中軸承套圈與輥子的接觸狀態(tài)構(gòu)建兩種不同竄輥量狀態(tài)下的有限元分析模型，分析其偏載受力情況，獲取偏載下工作輥沿輥身長度方向的接觸應(yīng)力分布規(guī)律。

由圖3可看出，在彎輥塊隨軋輥竄動模式下，結(jié)構(gòu)受封的偏心力矩與竄輥量呈現(xiàn)正比關(guān)系，顯示出明顯的擾度不對稱；而在彎輥塊固定模式下，竄輥對輥系擾度影響較小；在彎輥塊不隨動模式下的軸承接觸應(yīng)力大于彎輥塊隨動模式。結(jié)果表明竄輥量增大，軋輥軸承接觸應(yīng)力與偏載效應(yīng)加劇?；贏baqus分析發(fā)現(xiàn)了彎輥對軸承偏載效應(yīng)規(guī)律雖然存在一定局限性，對軋機軸承的設(shè)計與制造仍具有一定借鑒價值[4]。

3.2 CAE模擬有色金屬加工裝備對加工產(chǎn)品質(zhì)量的影響與控制能力方面的應(yīng)用

3.2.1 基于Ansys的高速鋁箔軋機工作輥溫度場的有限元分析

鋁箔軋機工作輥的熱變形是影響產(chǎn)品帶材板型質(zhì)量的一個重要因素，因此進行了軋輥溫度場和熱凸度的計算分析。首先分析軋輥工作原理，建立其有限元分析模型，圖4為軋輥的熱邊界條件。當軋輥在旋轉(zhuǎn)工作時，工作輥的表面不斷受熱與冷卻，輥面溫度呈現(xiàn)周期性變化，并且受熱與冷卻狀態(tài)沿工作輥軸向方向分布是不均勻的，熱邊界條件十分復(fù)雜。分析工作輥的工作機理可知，工作輥周圍冷卻環(huán)境變化對熱凸度及溫度場的影響很小。同時為了簡化模型以及提高計算機分析效率，在有限元分析過程中的工作輥模型是對稱的，可選取工作輥的1/4作為分析對象，簡化計算模型如圖5所示。

該案例結(jié)合某鋁箔軋機工作輥的實際工況，將工作輥圓周方向的邊界條件等效為多種換熱過程，摩擦熱的分析過程設(shè)置為采用包含滑動摩擦、粘著在內(nèi)的預(yù)位移-滑動摩擦模型進行計算。運用Ansys軟件對工作輥的溫度場和熱變形進行分析求解，并與生產(chǎn)現(xiàn)場的實驗數(shù)據(jù)進行對比，驗證了該模型與設(shè)置方法的可靠性。軋機工作輥溫度場的有限元分析工作為輥型設(shè)計與板形控制提供了一定的理論依據(jù)。

3.2.2 基于Abaqus的鋁加工常用的兩類6輥冷軋機的有限元分析

6輥CVC軋機和6輥UCM軋機采用不同的板形控制策略進行各自的板形控制，為了全面、定量、準確獲取兩類冷軋機在不同工藝條件下、不同設(shè)備工況下的板形控制性能，采用Abaqus軟件進行有限元仿真，構(gòu)建其有限元仿真模型如圖6所示，進行兩類軋機各種板形控制性能分析比較。

從圖7中可知，兩種類型冷軋機各板形控制技術(shù)板形調(diào)控功效的大小。兩種軋機在工作輥彎輥和中間輥彎輥兩種調(diào)節(jié)方法上調(diào)控效果基本相同,CVC冷軋機工作輥彎輥調(diào)控效果略大于UCM冷軋機；而兩種冷軋機的明顯差別出現(xiàn)在中間輥抽動這一調(diào)控手段上，6輥CVC冷軋機的中間輥抽動調(diào)控功效明顯大于6輥UCM冷軋機，這也是CVC冷軋機的優(yōu)勢所在。通過該案例可以看出，基于Abaqus的兩類6輥冷軋機的有限元分析方法，為板形控制技術(shù)的創(chuàng)新與板帶軋機選型提供技術(shù)支持。

通過以上幾種CAE典型案例的應(yīng)用可以發(fā)現(xiàn)，運用CAE技術(shù)，不僅可以對工件制造工藝性進行早期判斷，而且通過對設(shè)計方案的模擬分析，能及時調(diào)整修改設(shè)計結(jié)構(gòu)，縮短開發(fā)周期，通過缺陷預(yù)測來制定缺陷預(yù)防措施，改進設(shè)備設(shè)計，從而降低生產(chǎn)成本，提高設(shè)備的制造精度和整體性能。

4 結(jié)語

隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能化水平以及軟件技術(shù)的不斷進步，CAE技術(shù)取長補短，功能日趨完善，通過該技術(shù)能高效的對有色加工裝備和所加工產(chǎn)品進行仿真測試，確定機械設(shè)備相關(guān)技術(shù)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷，優(yōu)化設(shè)計流程，并降低新產(chǎn)品研發(fā)成本，在維護檢修階段可分析故障原因，分析質(zhì)量因素等。但是CAE技術(shù)的應(yīng)用不僅需要相關(guān)工程應(yīng)用經(jīng)驗，還需要深厚的理論基礎(chǔ)，否則CAE分析的可信度會令人質(zhì)疑。在保證計算結(jié)果相對準確的情況下，盡量使復(fù)雜問題簡單化，正確認識試驗與CAE分析技術(shù)之間的關(guān)系。同時還要結(jié)合企業(yè)自身實際情況，由本行業(yè)的分析人員建立完善的CAE分析流程、規(guī)范及評價指標，才能實現(xiàn)CAE分析技術(shù)在有色金屬加工設(shè)備行業(yè)上的經(jīng)驗積累與發(fā)展。隨著CAE技術(shù)在制造業(yè)的大量應(yīng)用，CAE咨詢對于企業(yè)而言變得尤為關(guān)鍵，搭建成熟的CAE咨詢及技術(shù)服務(wù)將會成為企業(yè)新的盈利點。