CAE技術(shù)在電動(dòng)工具行業(yè)的應(yīng)用研究

俞悅

（浙江省金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江金華 321000）

CAE技術(shù)在電動(dòng)工具行業(yè)的應(yīng)用研究

俞悅

（浙江省金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江金華 321000）

近年來，電動(dòng)工具行業(yè)正在引進(jìn)CAE技術(shù)，以用于分析電動(dòng)工具在強(qiáng)度、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)等方面的表現(xiàn)狀態(tài)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)以及規(guī)范缺失進(jìn)行對(duì)比研究，由此可見CAE技術(shù)在電動(dòng)工具行業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、開發(fā)以及后續(xù)改進(jìn)等方面上的重要意義。本文將對(duì)目前電動(dòng)工具行業(yè)CAE技術(shù)運(yùn)用狀況進(jìn)行分析，討論CAE技術(shù)在電動(dòng)工具行業(yè)上的有效應(yīng)用方法。

CAE技術(shù) 電動(dòng)工具 研究

CAE（Computer Aided Engineering）是指工程設(shè)計(jì)中的計(jì)算機(jī)輔助工程，是通過計(jì)算機(jī)來對(duì)復(fù)雜工程以及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)相關(guān)力學(xué)性能進(jìn)行輔助求解和分析，可分析固體、流體以及電磁體等，或者分析動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)、靜態(tài)結(jié)構(gòu)、線性問題和非線性問題等，是一門集力學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多門學(xué)科的新型綜合學(xué)科。

此外，作為基于網(wǎng)絡(luò)的模具CAE技術(shù)也由于其現(xiàn)代的協(xié)同和面向并行的概念設(shè)計(jì)理念極其符合模具概念設(shè)計(jì)的整個(gè)過程，因此它也被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)工具行業(yè)，促使模具概念設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量的明顯提高。接下來本文將對(duì)電動(dòng)工具行業(yè)的CAE技術(shù)進(jìn)行討論。

1 CAE技術(shù)在電動(dòng)工具行業(yè)的應(yīng)用意義

電動(dòng)工具是指將電動(dòng)機(jī)或者電磁鐵作為動(dòng)力，通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來驅(qū)動(dòng)工作頭的一種機(jī)械化工具，主要可分為金屬切削電動(dòng)工具、研磨電動(dòng)工具、裝配電動(dòng)工具和鐵道用電動(dòng)工具，而CAE技術(shù)作為一種近似的數(shù)值分析方法，就可以用來對(duì)電動(dòng)工具的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、屈曲穩(wěn)定性進(jìn)行分析計(jì)算以及優(yōu)化設(shè)計(jì)。

在傳統(tǒng)的電動(dòng)工具設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員在完成圖紙?jiān)O(shè)計(jì)后會(huì)先生產(chǎn)一定量的樣機(jī)來進(jìn)行相關(guān)性能測(cè)試，比如跌落、散熱等，在測(cè)試中如果發(fā)現(xiàn)問題將會(huì)對(duì)圖紙模型的相關(guān)屬性進(jìn)行反復(fù)修改，以保證問題的順利解決，但是往往此時(shí)模具或者相關(guān)零件已經(jīng)批量生產(chǎn)，更改方案受到很多因素制約，不易進(jìn)行。而通過CAE技術(shù)則可以避免以上的時(shí)間和成本浪費(fèi)問題，因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員可以使用CAE技術(shù)來建立數(shù)字樣機(jī)，然后進(jìn)行虛擬性能測(cè)試，來評(píng)估樣機(jī)實(shí)際應(yīng)用中可能出現(xiàn)的問題，簡(jiǎn)單化處理復(fù)雜工程，促進(jìn)電機(jī)工具行業(yè)的良好發(fā)展。

2 CAE技術(shù)在電動(dòng)工具行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀

首先，電動(dòng)工具行業(yè)對(duì)CAE技術(shù)應(yīng)用范圍有限，現(xiàn)實(shí)中國(guó)內(nèi)多數(shù)廠商對(duì)CAE技術(shù)的應(yīng)用還處于摸索階段，CAE技術(shù)目前僅在汽車、重型機(jī)械和航天領(lǐng)域方面應(yīng)用較為成功，比如博世、TTI、寶時(shí)得等企業(yè)都已經(jīng)組建了自己的CAE技術(shù)應(yīng)用部門，而在其他方面的廠商對(duì)CAE技術(shù)則還沒有形成較為成熟的流程，CAE技術(shù)應(yīng)用面有限。

其次，在電動(dòng)工具行業(yè)中的運(yùn)用CAE技術(shù)是對(duì)企業(yè)的一個(gè)較高要求，它既要求企業(yè)有一個(gè)有序的運(yùn)用流程，也要求CAE技術(shù)人員較強(qiáng)的專業(yè)能力。很多的企業(yè)對(duì)CAE技術(shù)的理解可能僅限于CAE軟件，而實(shí)際中CAE人員對(duì)CAE技術(shù)的運(yùn)用不能僅限于入門，更要清晰地了解CAE技術(shù)的研發(fā)流程、技術(shù)規(guī)范、基礎(chǔ)技術(shù)以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)等。

3 CAE技術(shù)在電動(dòng)工具行業(yè)的應(yīng)用方法

3.1 跌落分析

電動(dòng)工具容易遇到跌落失效，因此對(duì)電動(dòng)工具的跌落進(jìn)行測(cè)試仿真顯得非常重要。通過CAE技術(shù)，工作人員可以對(duì)電動(dòng)工具的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)在跌落時(shí)而產(chǎn)生的各種力、變形、位移等進(jìn)行模擬并作出定量評(píng)估，一定程度上降低了產(chǎn)品市場(chǎng)投放的成本和周期。對(duì)此，可以采用ANSYS專用的跌落仿真模塊Drop-Text來進(jìn)行仿真操作，也可以采用MSC.Dytran，下面將用后者來進(jìn)行跌落仿真。

首先，將幾何模型輸入到劃分網(wǎng)格中，采用目前常用的四面體或者六面體網(wǎng)格結(jié)合方式來作網(wǎng)格，網(wǎng)格局部設(shè)為1毫米，整體大小設(shè)為2.5毫米。然后，定義與地面接觸的產(chǎn)品初始速度，基于質(zhì)心應(yīng)該盡量和地面接觸點(diǎn)的聯(lián)機(jī)垂于地面的原則，對(duì)接觸算法采用對(duì)稱罰函數(shù)法。工程師可以用TTI公司CAE部門編寫的跌落分析專用程序界面和執(zhí)行程序（PCL語言），將其嵌入到Patran軟件中來對(duì)產(chǎn)品的跌落方向和高度進(jìn)行定量指定，還可以在材料庫中選擇產(chǎn)品所需的材料，比如采用剛體單元，以完成對(duì)跌落分析的預(yù)處理。再者，要討論對(duì)溫度的高低對(duì)產(chǎn)品的跌落所產(chǎn)生的影響，可以分為高溫低溫，工況默認(rèn)為六面三邊一角。接著，合理設(shè)定分析時(shí)間和最小步長(zhǎng)，保存單元的應(yīng)力或者應(yīng)變結(jié)果，得到結(jié)果后，將斷裂應(yīng)力或最大變形作為判定該方向是否失效的依據(jù)，針對(duì)不同電動(dòng)工具零件，沖擊失效模式也會(huì)相對(duì)改變。

3.2 強(qiáng)度分析

現(xiàn)今對(duì)電動(dòng)工具零件的設(shè)計(jì)要求越來越高，不僅要求高功率，還強(qiáng)調(diào)外形的小巧，這在一定程度上限制了設(shè)計(jì)人員的發(fā)揮空間，借助CAE技術(shù)則可以在這種相對(duì)較小的空間里面來對(duì)電動(dòng)工具的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)，使得設(shè)計(jì)人員得以驗(yàn)證產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和使用年限是否符合既定要求。

就軸類結(jié)構(gòu)作為典例來進(jìn)行對(duì)其的靜態(tài)分析。首先自動(dòng)劃分網(wǎng)格，用MSC.Nastran來對(duì)載荷、材料、約束等進(jìn)行相關(guān)參數(shù)定義，得到對(duì)應(yīng)的應(yīng)力等級(jí)大小。其次，對(duì)彈性組件進(jìn)行疲勞分析，彈性組件比如離合器、彈性接觸片等，都需要能夠在較長(zhǎng)的時(shí)間中承受反復(fù)的變形，由新的產(chǎn)品品質(zhì)規(guī)格來作為疲勞分析的指標(biāo)，通過MSC. Fatigue可以對(duì)新結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度進(jìn)行仿真分析，從而可以了解該結(jié)構(gòu)是否符合疲勞分析的要求。

3.3 散熱分析

電動(dòng)工具作為一種較高功率的器件，模具空間有限但是電子元件散熱量又大，因此散熱和溫升問題都必須得到有效處理，才能保證電動(dòng)工具的正常使用，通過設(shè)計(jì)合理的風(fēng)道結(jié)構(gòu)可以有效解決該問題。也可以采用流體仿真技術(shù)對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的通風(fēng)散熱能力、沙磨類和鋸類的吸塵降噪分析、流固耦合來進(jìn)行分析，可以較快地找出產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中的不足之處，使工作人員能夠針對(duì)性地給出解決方案，促使流道散熱性能得以改善，保證電動(dòng)工具得以正常運(yùn)行。

4 結(jié)語

綜上可見，CAE技術(shù)對(duì)電動(dòng)工具行業(yè)在新時(shí)代背景下的長(zhǎng)久穩(wěn)定發(fā)展有著重要意義，在設(shè)計(jì)初期就可以使設(shè)計(jì)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)器件設(shè)計(jì)所存在的問題，在一定程度上減少了之后一系列的成本支出，縮短了模具設(shè)計(jì)定型時(shí)間，減少了試產(chǎn)次數(shù)和材質(zhì)濫用，使電動(dòng)工具產(chǎn)品得以改善，維持了電動(dòng)工具行業(yè)的健康有序發(fā)展?fàn)顟B(tài)。

［1］王曉梅，程曉宇.基于CAD/CAE的電動(dòng)自行車后備箱注射模具設(shè)計(jì)［J］.價(jià)值工程，2012，31（24）：38-39.

［2］鄭宇鋒，蘇傳義，謝文才，等.CAE分析在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用［J］.鍛壓技術(shù)，2012，37（2）：51-54.

［3］田夢(mèng)遠(yuǎn)，張建勛，丁如義，等.CAD/CAE在軸流壓縮機(jī)機(jī)殼鑄改焊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.風(fēng)機(jī)技術(shù)，2012，（5）：49-53.