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1、三维软件在冶金设备设计中的应用及趋势EquipmentManufactringTechnologyNo.12,2008三维软件在冶金设备设计中的应用及趋势夏必琴,凌云(中冶华天工程技术有限公司,安徽马鞍山243005)摘要:从冶金设备设计的特点和现状出发,对现阶段二维软件设计存在的问题进行了分析,从设备设计中的动力学分析,应力分析,参数化设计等几个方面对三维软件的应用进行了阐述,并对三维软件未来的应用趋势作了预测.关键词:冶金设备;三维;动力学分析;应力分析;参数化设计;应用趋势中图分类号:TP391文献标识码:A钢铁冶金设备是钢铁冶金工厂设计建造中重要的组成部分,一般占总承包(EPC)工程费
2、用的60%左右,设计工作一般由设计院和专业设备公司完成.在设计中,普遍采用的是以AutoCAD软件为代表的二维设计软件.相对三维软件而言,二维软件简便易学,精确高效,但也存在两点问题:首先,二维制图对所设计的设备不是很直观,无法模拟设备的装配过程,容易造成装配过程的干涉,对一些比较复杂的曲面或衍架结构很难准确的表达.这一点在现场设备安装的时候尤为明显.以在常州中天60t转炉现场为例,出现的问题有70%左右都是设备,管道干涉,必须现场对设计进行修改,浪费了大量人力,物力,耽误了工期.其他现场也大体如此.理论上,二维软件只要按比例绘图,各专业仔细校核尺寸,就可以避免这个问题.但在实际操作中,一个工
3、程的设备成千上万,各种管道也分布其中,想要从数千套二维图纸上找出所有干涉处,工作量是不可想象的.其次,二维软件对所设计的设备无法进行应力分析.完全要依靠设计者的经验,对认为需要应力分析的零部件进行手工计算,容易出错;同时因为设计者在很多零部件的设计上会采用经验算法,或延续参考图的设计,这很容易过分放大安全系数,造成原材料的浪费.如果可以采用等安全系数的设计方法,对普通设备原材料的节约至少在10%一20%,但这是二维软件所难以实现的.1以Pro/E为代表的三维软件在冶金设备设计应用的特点分析随着计算机技术突飞猛进的发展,特别是三维虚拟实体建模技术的不断完善,给机械产品研发,制造带来了前所未有的变
4、革,加快了研发速度,同时可降低研发设计中存在的缺陷或失误的几率.大多冶金设备的设计及制造,多具有单件设计,制造和安装的特性.利用三维虚拟实体建模技术,可以缩短研发周期,降低研发成本,减少研发失误,为工程建设提供稳定可靠,快速的设计服务.文章编号:1672-545X(2008)12016602现在市场上,主流的三维设计软件有Pro/E(美国PTC公司),SOLIDEDGE(美国UGS公司),INVENTOR(美国AUTODESK),出于对动力学分析和应力分析的要求,我们公司选择了这方面能力较为突出的Pro/E.Pro/E是全方位的3D产品开发软件包,和相关软件Pm/DESINGER(造型设计),
5、Pro/MECHANICA(功能仿真),集合了零件设计,产品装配,加工制造,钣金件设计,铸造件设计,工业设计,自动测量,机构分析,有限元分析,产品数据库管理等功能.因此,Pro/E在冶金设备设计中应用具有较多优势.1.1Pr0/E运动力学分析优势Pro/E的运动分析模块,可以进行虚拟样机的运动力学分析和仿真.其分析结果可以以动画的形式表现出来,也可以以参数和数值的形式输出,方便进行对比分析.在仿真过程中,可以测量任何构件上任何点位移,速度和加速度,还可以计算约束副之间的支反力.在给定的运动参数下进行仿真,可以直观地获得运动平台的位姿,工作空间以及运动,动力特性.通过运动仿真分析,发现零件存在干
6、涉后,可以直接在装配体环境下修改发生干涉的零件,而且装配体零件中的修改,可以直接反映在零件模型上,实现模型动态交互更新.修改后的模型,再次进行运动仿真,干涉现象消失.这样能保证在空间运动过程中,各个零件不发生碰撞干涉,帮助用户提高装配时选择零件的效率,减少因为错误组装而导致零件发生碰撞.配合优化设计使用,还可以进行运动的优化设计.同时运动分析动画和结果也可以直接为项目投标或技术交流提供最直观的技术材料,提高交流效率.实践表明,基于Pro/E软件的虚拟设计和动态仿真技术,在冶金设备虚拟样机技术的设计中具有良好的应用前景.1.2Pr0/E应力分析优势利用Pr0EcHAMCA(有限元分析模块)对虚拟
7、样机进行应力分析可以产生以下优点:(1)增加产品和工程的可靠性;(2)在产品的设计阶段发现潜在的问题;(3)经过分析计算,采用优化设计方案,降低原材料成本;(4)缩短产品投向市场的时间;(5)模拟试验方案,减少试验次数,从而减少试验经费;收稿日期:2008-0905作者简介:夏必琴(1956一),女,安徽和县人,工程师,研究方向:钢铁设备设计.166装备制造技术)2008年第l2期(6)与其它有限元分析软件相比,由于其与Pm/E的完全无缝集成,使其能缩短建模时间,提高应力分析效率.冶金设备费用占工程总承包建设费用的比例较大.降低冶金设备的制造,采购费用,对降低工程总承包费用意义重大.而大部分冶
8、金非标设备的计价与其重量直接相关,因此利用Pm/MECHANICA(有限元分析模块)对虚拟样机进行应力分析,在保证设备性能和强度的基础上,可以最合理的降低非标设备的耗材量,从而提高工程利润和增强自身竞争力.1.3Pr0/E的参数化设计三维设计的重要优势,就是可以采用参数化设计.开发产品时,零件设计模型的建立速度,是决定整个产品开发效率的关键.产品开发初期,零件形状和尺寸有一定模糊性,要在装配验证,性能分析和数控编程之后才能确定.这就希望零件模型具有易于修改的柔性.参数化设计方法,就是将模型中的定量信息变量化,使之成为任意调整的参数.对于变量化参数赋予不同数值,就可得到不同大小和形状的零件模型.
9、要实现参数化设计,参数化模型的建立是关键.参数化模型表示了零件图形的几何约束和工程约束.几何约束包括结构约束和尺寸约束.结构约束是指几何元素之间的拓扑约束关系,如平行,垂直,相切,对称等;尺寸约束则是通过尺寸标注表示的约束,如距离尺寸,角度尺寸,半径尺寸等.工程约束是指尺寸之间的约束关系,通过定义尺寸变量及它们之间在数值上和逻辑上的关系来表示.而这些要求在Pm/E中都可以轻易得以实现.在Pm/E参数化设计系统中,设计人员根据工程关系和几何关系来指定设计要求.设计人员考虑尺寸或工程参数的初值,并且在每次改变这些设计参数时来维护这些基本关系,即将参数分为两类:其一为各种尺寸值,称为可变参数;其二为
10、几何元素间的各种连续几何信息,称为不变参数.参数化设计的本质是在可变参数的作用下,系统能够自动维护所有的不变参数.因此,参数化模型中建立的各种约束关系,正是体现了设计人员的设计意图.Pm/E的参数化设计,可以大大提高模型的生成和修改的速度,使相似系列设备的设计速度有了质的飞跃.2案例分析我公司利用Pro/E软件为设计平台,采用”从顶向下”(Top-Down)的设计思路,应用layout布局和骨架模型的相结合的设计手段,建立了全参数化,零部件相互关联,便于修改,编辑和重新生成的落灰机的虚拟样机(如图1所示).并对虚拟样机进行了运动学仿真和关键部位的有限元受力分析.全数字化的落灰机虚拟样机采用了有
11、限元分析,重量比原设计减轻了20%,并对参数实现了系列化,只需给出落灰机容积,上下接口,就可以生成新的模型,比原来绘图节约了大量时间.图1落灰机的虚拟样机3三维软件的应用趋势根据作者的预测,三维软件将会完全取代二维软件.但在未来相当长的一段时间不会完全取代,主要由于以下原因的影响:第一,企业和操作者的固有思维模式和操作习惯;第二,三维软件高昂的价格,使很多国内企业不能接受;第三,三维软件现有的水平不能完全满足一些企业的需求或个性化需求;第四,二维软件根基很深,由于人与人之间的差异,企业与企业之间的差异,软件间的兼容等问题,即使三维软件可以取代二维软件,但为了便于交流和协作,二维软件还将作为辅助
12、工具保留.第五,企业上三维软件的一个重要目的,是设计完成的产品可以直接传导到加工中心加工,而目前中国的企业大部分不具备加工中心的条件,上三维软件只是为了造型.总之,三维软件在短时间内难以取代二维软件.但二维软件发展已经比较成熟,向上空间狭小,而三维软件即使已经偎强大,仍然还有相当广阔的空间可以发展,从这个角度看,三维软件会逐步完全取代二维软件.4结束语总之,三维软件虽然有着许多二维软件所不能比拟的优点,但是在短时间内受到客观条件的限制还是难以取代二维软件.但二维软件发展已经比较成熟,向上空间狭小,而三维软件即使已经很强大,仍然还有相当广阔的空间可以发展,从这个角度看,三维软件会逐步完全取代二维
13、软件.ThePracticeandTrendoftheThree-DimensionSoftwareinMetallurgyEquipmentDesignXIABi-qin,LINGYun(HuatianEngineering&TechnologyCorporation,MaanshanAnhui243005,China)Abstract:Startingfromthecharacterandactualityofmetallurgyequipmentdesignmakesananalysisoftheproblemsofthetwo-dimensionsoftwaredesignno
14、wadays.Thepracticeofthethree-dimensionalSOtw&reinkineticsanalysis,stressanalysis,parameterizationdesignandsoOilwasexpatiated.Inadditionitmakesaforecastofthepracticetrendofthreedimensionalsotwaleinthefuture.Keywords:metallurgyequipment;three-dimensional;kineticanalysis;stressanalysis;parameterizationdesign;practicetrend167