張子健

（中石油吉林化工工程有限公司，吉林吉林 132001）

0 引言

我國機械制造生產(chǎn)領(lǐng)域正面臨轉(zhuǎn)型關(guān)鍵期，如何生產(chǎn)出體型輕巧、高效率、低成本的設(shè)備零部件，成為化工設(shè)備設(shè)計中的主要任務(wù)。而大力開發(fā)CAD/CAM/CAE 系統(tǒng)，可將我國機械制造推向更高臺階，完成技術(shù)革新。

1 探究CAD/CAM/CAE 系統(tǒng)內(nèi)容

1.1 CAD 功能內(nèi)容簡介

CAD（Computer Aided Design）即計算機輔助設(shè)計，該類軟件在機械制圖中應(yīng)用廣泛，可通過計算機完成機械設(shè)備部件的平面與立體繪圖工作。由于在化工設(shè)備設(shè)計中涉及到大量方案規(guī)劃、數(shù)據(jù)計算及分析等作業(yè)，借助多方案對比，確定最優(yōu)方案，各類包含數(shù)字、文字與圖形的方案信息均儲存在計算機中，方便隨時調(diào)取查看。以往情況下，化工設(shè)備設(shè)計人員先繪制草圖，而后進行專業(yè)化修改，最終繪制成專業(yè)圖的這一系列工作，則由計算機完成，可節(jié)省大量設(shè)計時間，提高工作效率。計算機利用系統(tǒng)編程運算，能夠快速生成設(shè)計結(jié)果，作圖時間大大縮減，方便設(shè)計人員對全圖實行檢驗校正。在CAD 軟件中，可以任意將圖形實行轉(zhuǎn)移、放大、縮小、鏡像復(fù)制等操作，更加方便了圖形繪制。

1.2 CAM 功能內(nèi)容簡介

CAM（Computer Aided Manufacturing）即計算機輔助制造，該類軟件主要參與機械生產(chǎn)作業(yè)的全過程，貫穿在生產(chǎn)準(zhǔn)備階段到產(chǎn)品制造完成，其將計算機同設(shè)備生產(chǎn)流程相關(guān)聯(lián)，制造過程全部由計算機負責(zé)完成，包括設(shè)備生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)管理、設(shè)備的控制與操作，而且還可利用該軟件，分析產(chǎn)品生產(chǎn)中產(chǎn)生的各項數(shù)據(jù)，科學(xué)規(guī)劃物料的使用情況，并可精準(zhǔn)檢驗生產(chǎn)完成的設(shè)備零部件。

1.3 CAE 功能內(nèi)容簡介

機械制造中的CAE（Computer Aided Engineering）即計算機輔助工程，該類軟件主要被用來探究機械產(chǎn)品的各項物理性能，如力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)性能等（圖1）。該軟件可高效利用計算機，密切機械生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，做到信息的高度集成，貫穿到機械加工的全生命周期。CAE 還能夠開展靜態(tài)和動態(tài)結(jié)構(gòu)分析，深度探究產(chǎn)品內(nèi)部存在的線性與非線性問題以及流體、電磁等。

圖1 CAE 的功能

2 化工設(shè)備設(shè)計中引入CAD/CAM 系統(tǒng)操作

將CAD/CAM 系統(tǒng)應(yīng)用在化工設(shè)備中，主要作用就是產(chǎn)品設(shè)計，關(guān)系到化工產(chǎn)品最終質(zhì)量，決定其實用價值。安全性始終是化工設(shè)備生產(chǎn)的核心追求，這使得零部件的設(shè)備環(huán)節(jié)極為關(guān)鍵。如今被廣泛應(yīng)用在產(chǎn)品設(shè)計中的高級CAD/CAM 系統(tǒng)，具有強大的設(shè)計功能，可以完成各類型難度系數(shù)極高的零部件設(shè)計。其中，CAD/CAM 即UG，是化工設(shè)備制造領(lǐng)域極受追捧的高級軟件，該軟件集合了CAD/CAM/CAE 的功能，在機械制造業(yè)應(yīng)用頻率極高。本文以UG 對化工設(shè)備中的通用零部件橢圓形封頭進行三維設(shè)計為例，簡單介紹CAD/CAM 軟件在化工設(shè)備中的應(yīng)用。

封頭廣泛應(yīng)用在化工設(shè)備中，屬于通用型零部件，橢圓形封頭屬于其系統(tǒng)類型的一種（圖2），在制造業(yè)應(yīng)用頻率較高，且我國也推出以內(nèi)/外徑作為公稱直徑的橢圓形封頭標(biāo)準(zhǔn)系列。UG 中對于標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計可通過建立部件族或標(biāo)準(zhǔn)件庫來調(diào)用，類似于橢圓形封頭就可以通過建立部件族或標(biāo)準(zhǔn)件庫，該項功能可以有效提高設(shè)計效率，縮短部件制造時間。對于橢圓形封頭的立體設(shè)計，具體流程為先參照有關(guān)數(shù)據(jù)信息繪出橢圓形封頭的輪廓曲線，之后采用拉伸或旋轉(zhuǎn)等手段，完成橢圓封頭的三維繪圖。

圖2 橢圓形封頭

化工用橢圓形封頭具有一定的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)件庫具有極為重要的作用，有助于設(shè)備零部件的設(shè)計與生產(chǎn)。針對比較常用的標(biāo)準(zhǔn)件，UG 設(shè)定了標(biāo)準(zhǔn)件庫，如螺栓、螺釘、齒輪、墊圈等，設(shè)計人員也可以參照實際需要，設(shè)立相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)件庫和部件族隨時進行調(diào)用，方便設(shè)備的設(shè)計過程。UG 還擁有外掛的功能，即針對標(biāo)準(zhǔn)件庫實施“搭橋”操作，設(shè)計者需要這些標(biāo)準(zhǔn)件時就可以直接點擊，選擇相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)即可獲得所需的標(biāo)準(zhǔn)零部件。設(shè)計人員直接點擊法蘭，就可以選用所需的法蘭標(biāo)準(zhǔn)件。UG 本身具有多種功能模塊，提高了設(shè)備設(shè)計過程中的專業(yè)性，部件生產(chǎn)的精準(zhǔn)度和制造效率都能得到大幅度改善，推動了機械制造的設(shè)計與開發(fā)。

以UG 功能模塊中的曲面造型為例，該項功能是高級CAD/CAM 軟件中最為強大的一項，其覆蓋了二維到三維、圖像到實體、結(jié)構(gòu)設(shè)計到運動仿真等一系列的設(shè)備制造領(lǐng)域，該模塊強大的操作能力，從設(shè)備設(shè)計貫穿到生產(chǎn)制造等諸多環(huán)節(jié)，極大地提高了作業(yè)效率。對于化工設(shè)備生產(chǎn)制造中的沖壓成型件，利用UG 中的鈑金成型模塊，可以很方便地建立零部件模型，經(jīng)過結(jié)構(gòu)分析與仿真模擬，不僅能及時對產(chǎn)品進行改進，還可以預(yù)測到可能存在的問題?，F(xiàn)階段，綠色環(huán)保理念同樣融入到化工制造業(yè)，各企業(yè)致力于推行技術(shù)的綠色升級，制造新型環(huán)保設(shè)備。而UG 除具備產(chǎn)品的設(shè)計和裝配功能，還可以結(jié)合其他系統(tǒng)，利用計算機完成部件的設(shè)計制造作業(yè)，開展虛擬制造和仿真，加速綠色制造理念在化工領(lǐng)域的深入。

3 化工設(shè)備設(shè)計中引入CAE 系統(tǒng)操作

CAE 是基于CAD 和CAM 的又一技術(shù)升級，該技術(shù)的應(yīng)用范圍更加廣泛，包括機械、土木工程、電子信息、生物醫(yī)藥等。該技術(shù)包容計算機和工程分析技術(shù)的各方面功能，實現(xiàn)計算分析、數(shù)字方針和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等系列操作。在實際生產(chǎn)過程中，設(shè)備承受多方面外力作用，為保持運轉(zhuǎn)安全性，設(shè)備的各項性能必須保持在最佳水平。為做到安全生產(chǎn)，節(jié)省一定的制造成本，在設(shè)備展開正式生產(chǎn)前，會分析測評相關(guān)參數(shù)，以保證設(shè)計出的產(chǎn)品滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。使用傳統(tǒng)的設(shè)計方式，可以計算出生產(chǎn)所需的相關(guān)參數(shù)值，之后接受測試。該種方式可以滿足小部件的設(shè)計檢驗工作，但對于大部件生產(chǎn)，如飛機機翼的設(shè)計，該種方式不再適用。CAE 利用產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析和性能測試，可有效縮短設(shè)計時間，及時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)中的不足之處，完成功能結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。該技術(shù)的參與，降低了設(shè)備部件的報廢率，減少了不必要的資源浪費，增大了生產(chǎn)的經(jīng)濟效益。

容器類的化工設(shè)備，形狀、結(jié)構(gòu)較為多樣，這類設(shè)備均要承受較大的外部或內(nèi)部壓力，所以將內(nèi)部壓力值高于0.1 MPa 的容器稱為壓力容器。壓力容器的設(shè)計分為規(guī)范設(shè)計和分析設(shè)計兩類，前者主要針對彈性失效準(zhǔn)則設(shè)計，后者則基于塑性失效和疲勞失效標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。兩者相比，后者顯然更具科學(xué)性。

ANSYS 軟件在CAE 類軟件中具有理想的分析設(shè)計能力，利用ANSYS 分析壓力容器設(shè)計極具操作性。壓力容器由圓柱、頭、法蘭、軸承構(gòu)成，在壓力容器結(jié)構(gòu)中具有不連續(xù)區(qū)域，利用ANSYS 開展分析和設(shè)計工作，必須分析這些不連續(xù)區(qū)域，消除不合理的結(jié)構(gòu)，完善整體設(shè)計。針對ANSYS 高壓容器球形頭與簡化的有限元分析的結(jié)構(gòu)的節(jié)點位移云圖，從中能夠了解到，連接區(qū)域內(nèi)部壓力作用下的變形情況。從云圖中也可以掌握結(jié)構(gòu)應(yīng)力的分布情況，實行網(wǎng)格加密劃分，能夠有效提高分析結(jié)果的精準(zhǔn)度，促進后續(xù)設(shè)計工作的開展。查看裙子支持區(qū)域的應(yīng)力分布情況，能夠了解到桶、圓頭和裙子過渡區(qū)的最大應(yīng)力分布，而該分布情況表明存在集中形式的圓角應(yīng)力。設(shè)備設(shè)計的結(jié)果必須符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，可參照績效評估標(biāo)準(zhǔn)，之后開展優(yōu)化分析，以期制造出符合技術(shù)指標(biāo)且輕量級的結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)語

在化工設(shè)備設(shè)計中，有必要合理應(yīng)用CAD/CAM/CAE 系列軟件，其具有強大的模塊功能，有助于設(shè)備部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，性能的仿真模擬。不僅如此，利用這類軟件，同樣符合綠色環(huán)保設(shè)計理念，可推動我國化工制造業(yè)向著綠色環(huán)保方向發(fā)展，有助于相關(guān)工藝技術(shù)的革新與升級。該類型軟件將機械制造業(yè)推向新臺階，展現(xiàn)出我國制造業(yè)將迎來更加輝煌的未來，進而掀起新一輪的技術(shù)革命。