工具行業(yè)仿真技術(shù)的應(yīng)用研究

吳曉雨 倪俊芳

摘要：CAE仿真的應(yīng)用在設(shè)計(jì)中使用越來(lái)越多，但在工具的設(shè)計(jì)研發(fā)中卻使用得很少。但是CAE的使用將會(huì)大大提高研發(fā)時(shí)選擇正確方向時(shí)的準(zhǔn)確性，比如預(yù)估跌落結(jié)果的應(yīng)用，以及選用正確的設(shè)計(jì)，來(lái)通過(guò)跌落的測(cè)試。

Abstract： CAE are applied in more and more area， but few in tools' designing. And CAE's application would help you make right choice when you face many different design direction. For example， you could use CAE to predict the result of drop test， and choosing right design to go through the drop test.

關(guān)鍵詞：CAE;設(shè)計(jì);跌落

Key words： CAE;design;drop

中圖分類號(hào)：TP391.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2018）35-0188-02

0? 引言

電動(dòng)工具的企業(yè)全球有超過(guò)100家，所以這個(gè)行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)是相當(dāng)激烈的。對(duì)研發(fā)時(shí)間的加快和對(duì)成本控制的要求越來(lái)越高。研發(fā)時(shí)間的縮短可以快速進(jìn)行產(chǎn)品的更新?lián)Q代，從而可以及時(shí)占據(jù)市場(chǎng)的新產(chǎn)品的制高點(diǎn)。

新加坡國(guó)立大學(xué)Lim和他的研究小組做了一些產(chǎn)品級(jí)跌落測(cè)試實(shí)驗(yàn)[1]，其特點(diǎn)是：跌落的角度不易控制，因?yàn)閷?shí)際跌落的角度是隨機(jī)的，但是在試驗(yàn)中無(wú)法做到。所以實(shí)體的測(cè)試不利于機(jī)器快速推向市場(chǎng)。

而CAE在研發(fā)過(guò)程中，對(duì)受力分析，散熱分析都會(huì)起到很大的指導(dǎo)作用。

本文重點(diǎn)對(duì)其在跌落上的應(yīng)用進(jìn)行講解。

工具出口歐美國(guó)家都需要經(jīng)過(guò)安規(guī)認(rèn)證的。準(zhǔn)備銷售的產(chǎn)品必須要得到安規(guī)認(rèn)證的證書，才能在相應(yīng)的國(guó)家進(jìn)行銷售，如果未得到認(rèn)證的產(chǎn)品上市，被發(fā)現(xiàn)后會(huì)被強(qiáng)制下架，并且公司要接受懲罰。

安規(guī)中有一項(xiàng)就是跌落要求，其要求是跌落之后工具要保證安全性和功能性。國(guó)內(nèi)大部分公司都是用實(shí)物去嘗試的這個(gè)跌落的過(guò)程。不可靠且不全面。如果一直使用實(shí)物進(jìn)行跌落的分析和研究，那對(duì)研發(fā)的時(shí)間和成本都會(huì)有很大的影響。

但是如果使用CAD軟件進(jìn)行3D建模，再使用CAE軟件通過(guò)有限元法[3]進(jìn)行模擬分析，利用CAE進(jìn)行跌落的模擬從而大大減少了測(cè)試的費(fèi)用和項(xiàng)目的時(shí)間。那對(duì)整個(gè)研發(fā)進(jìn)度的提升都會(huì)是巨大的。

1? 理論基礎(chǔ)?

1.1 碰撞運(yùn)動(dòng)方程

首先跌落的整個(gè)過(guò)程是個(gè)沖擊的過(guò)程，是個(gè)復(fù)雜的碰撞過(guò)程，包含了接觸，高速?zèng)_擊。是一個(gè)復(fù)雜的非線性的問(wèn)題。

首先在總體坐標(biāo)系下，我們可以建立此碰撞的運(yùn)動(dòng)方程：（1）

（1）式中：[M]為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣;[C]為結(jié)構(gòu)的阻尼矩陣;[K]為結(jié)構(gòu)的剛度矩陣;{a}為加速度向量;{v}為速度向量;j5i0abt0b為位移向量;{Fex}為包括碰撞力內(nèi)的外力向量。

在整個(gè)時(shí)域范圍內(nèi)，可由上述積分遞推公式求得各個(gè)離散時(shí)間點(diǎn)處的位移、速度和加速度。顯式積分不需要進(jìn)行矩陣分解或求逆，無(wú)需求解聯(lián)立方程組，也不存在收斂性問(wèn)題，因此，計(jì)算速度快，其穩(wěn)定性準(zhǔn)則能自動(dòng)控制計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)的大小，保證時(shí)間積分的進(jìn)度。

2? 實(shí)際應(yīng)用

2.1 設(shè)計(jì)提前分析

在3D圖已經(jīng)設(shè)計(jì)完成的情況下，ANSYS 軟件設(shè)計(jì)了與大部分計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件（CAD）的通用接口，這么做就是為了更好地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分享，比較成熟的有 Pro/Engineer、UG、CATIA 和 AUTOCAD 等軟件[2]。當(dāng)對(duì)此設(shè)計(jì)的跌落試驗(yàn)無(wú)把握時(shí)，我們可以采用CAE仿真的方法來(lái)得到正確的指導(dǎo)建議。

比如電圓鋸，其手柄部分在手柄朝下跌落的狀態(tài)下，手柄極易損壞。

從而得到了圖1的結(jié)果，最大塑性變形的區(qū)域達(dá)到了13.5%，這已經(jīng)是超過(guò)了尼龍+30%玻纖材料的極限伸長(zhǎng)率，從而基本上這樣的跌落和設(shè)計(jì)，會(huì)造成手柄破裂，從而無(wú)法通過(guò)安規(guī)的認(rèn)證測(cè)試，無(wú)法再相應(yīng)的地區(qū)進(jìn)行銷售。

2.2 仿真驗(yàn)證不同解決方案

在多數(shù)的企業(yè)里面，在一輪測(cè)試失敗的情況下，工程師會(huì)根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，加強(qiáng)此處的強(qiáng)度。設(shè)計(jì)圖紙結(jié)束后，進(jìn)行新的樣機(jī)的制作，大概需要1-2個(gè)月，然后在進(jìn)行測(cè)試。如果失效就再設(shè)計(jì)再測(cè)試，這樣的循環(huán)往復(fù)，往往會(huì)造成大量的時(shí)間，金錢和人力資源上的浪費(fèi)。

但是如果使用CAE仿真的話，那么多個(gè)方案，我們就可以同時(shí)進(jìn)行仿真，選擇其中最好的方案。

如圖2，我們有三種方案。

分別對(duì)3種方案進(jìn)行模擬，我們就能得到三種方案的對(duì)比優(yōu)劣，如圖3。

通過(guò)仿真我們就能看出方案1是不合格的，方案2和3是可行的，但是方案3更優(yōu)。所以通過(guò)這樣的仿真對(duì)比，我們就能很容易選出正確的方案進(jìn)行樣機(jī)的設(shè)計(jì)。當(dāng)然后面的測(cè)試也驗(yàn)證了此方案的正確性，此方案順利通過(guò)了安規(guī)，正常發(fā)售。

3? 總結(jié)

通過(guò)上面的應(yīng)用的講解，我們可以看出，如果使用了CAE仿真技術(shù)的話，我們的研發(fā)效率和選擇的正確性上會(huì)大大地提高。

其一在于其可以幫忙預(yù)測(cè)此設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)是否合理，是否能達(dá)到公司或者安規(guī)的要求;其二在于，當(dāng)設(shè)計(jì)出現(xiàn)問(wèn)題的時(shí)候，我們可以不用大成本地投入到樣機(jī)的制作和測(cè)試中，我們可以通過(guò)CAE仿真的方法選出最優(yōu)的方案。

當(dāng)然CAE仿真技術(shù)在研發(fā)中不僅僅可以用于跌落分析，在其他的受力分析和氣流的分析中都能起到至關(guān)重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]Lim C T，Low Y J.Investigating the drop impact of portable electronic product—s.In：Proceedings of the 52nd Electronic Components Technology Conference，SanDiego，CA，USA 2002—05—28—31.IEEE，2002.1270—1274.

[2]陳濤.Auto CAD 與 ANSYS 接口研究[D].武漢理工大學(xué)，2010.

[3]O.C.Zienkiewicz，R.L.Taylor.有限元方法[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.