排序機遠距設(shè)計(CAD)/排序機遠距工程建設(shè)(CAE)技術(shù)在塑膠制品的設(shè)計制造中充分發(fā)揮著重要作用。借助CAD設(shè)計產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，形成二維數(shù)字模型，再選用CAE排序分析機械結(jié)構(gòu)，評價CAE排序結(jié)果。CAE是將工程建設(shè)問題模型化并運用數(shù)值排序?qū)δＰ驼归_模擬分析的軟件控制系統(tǒng)。常用的鑄件CAD/CAE軟件有Pro/E，UG，Moldflow，Solidworks，CATIA，ANSYS等。Pro/E軟件是美國模塊技術(shù)公司于1988年開發(fā)的，主要機能和特點是模塊化設(shè)計和如前所述特征建模的具有單一資料庫機能的實體模型化控制系統(tǒng)，可用作鑄件設(shè)計和機械制造。UG軟件是西門子產(chǎn)品生命周期管理軟件公司的產(chǎn)品工程建設(shè)解決方案，可用作工藝設(shè)計和產(chǎn)品設(shè)計的模擬確認和強化，應(yīng)用領(lǐng)域作航空器、電動汽車制造及鑄件設(shè)計等應(yīng)用領(lǐng)域領(lǐng)域。MoldFlow軟件是澳大利亞Moldflow公司的產(chǎn)品，能驗證和強化塑膠鑄件和壓鑄成形流程。Solidworks軟件是如前所述Windows開發(fā)的二維CAD控制系統(tǒng)，用作工業(yè)設(shè)計與機械設(shè)計等應(yīng)用領(lǐng)域領(lǐng)域。CATIA軟件是法國達索公司開發(fā)的，CATIA系列產(chǎn)品可為電動汽車、航空中國航天、船舶制造、鋼構(gòu)廠房設(shè)計、建筑、電子電力、通用型機械制造等應(yīng)用領(lǐng)域領(lǐng)域提供二維設(shè)計和演示解決方案。ANSYS軟件是美國ANSYS公司研制的大型通用型有限元分析軟件，能與多數(shù)CAD軟件接口，同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，在眾多應(yīng)用領(lǐng)域領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用領(lǐng)域。

借助CAD/CAE技術(shù)對壓鑄鑄件設(shè)計，具體來說要創(chuàng)建產(chǎn)品二維模型，在此基礎(chǔ)上展開塑件分析，透過對鑄件的設(shè)計分析和可行性分析，先期設(shè)計出鑄件的結(jié)構(gòu)，透過對鑄件展開充填分析、殼狀分析、加熱分析和Vertaizon分析，對鑄件結(jié)構(gòu)的先期設(shè)計展開完善和強化，從而完成鑄件結(jié)構(gòu)抽象化，之后進入詳盡設(shè)計階段。在抽象化鑄件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，展開型芯混煉的設(shè)計和成形零組件的設(shè)計，對澆鑄控制系統(tǒng)、加熱控制系統(tǒng)、側(cè)向抽芯和勾出機構(gòu)的設(shè)計。透過充填分析、殼狀分析、加熱分析、Vertaizon分析強化壓鑄鑄件的詳盡設(shè)計，最后可調(diào)用模架和鑄件標準件資料庫展開換裝設(shè)計。本文主要綜述了CAD/CAE技術(shù)在一般塑膠制品制造、電動汽車高性能和中國航天航空等應(yīng)用領(lǐng)域領(lǐng)域的應(yīng)用領(lǐng)域。

　　1 CAD/CAE技術(shù)在一般塑膠制品制造應(yīng)用領(lǐng)域領(lǐng)域的應(yīng)用領(lǐng)域

CAD/CAE技術(shù)廣泛用作一般塑膠制品的設(shè)計制造。周天元挑選出聚碳酸酯（PC）與丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）合金作為筆記本電腦插口的原料，選用Pro/E軟件對產(chǎn)品的平均寬度、拔模角度和表觀面等展開二維結(jié)構(gòu)分析，并對塑膠鑄件的模仁部分展開二維分模，獲得鑄件的混煉體積。選用Moldflow軟件的MPI機能模塊和模流分析對壓鑄操作過程展開演示，選用控制系統(tǒng)推薦的成形模塊演示充填、保壓、加熱等操作過程，找出最差壓鑄成形管則，得出最差模塊：壓鑄天數(shù)為1.8s、保壓天數(shù)為8.0s、加熱天數(shù)為19.0s、熔體環(huán)境溫度為256℃、鑄件環(huán)境溫度為80℃，制品的總Vertaizon形變量為0.8644mm，確定了影響Vertaizon形變的工藝模塊從大到小依次為壓鑄天數(shù)、熔體環(huán)境溫度、加熱天數(shù)、保壓天數(shù)、鑄件環(huán)境溫度。研究表明，借助CAD/CAE技術(shù)對塑膠鑄件展開設(shè)計，并演示成形工藝能提升實際成形產(chǎn)品的質(zhì)量和壓鑄成形工作效率，降低后續(xù)壓鑄成形操作過程中鑄件試模、修模的次數(shù)。王健選用PC與ABS合金制作手機外殼。具體來說選用Pro/E軟件中的零件模塊，經(jīng)過拉伸、鏡像、AX50、復(fù)制、倒圓角等特征命令創(chuàng)建手機外殼實體模型。借助ANSYS軟件展開靜力學分析，勁敵機外殼模型展開改進，透過增設(shè)加益、增加寬度和選用圓角過渡，以避免在表面區(qū)域出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象。再借助Pro/E?Plastics軟件，挑選出管則位置、充模天數(shù)和壓鑄壓力展開塑件模流模擬分析，得到管則位置挑選出在側(cè)面點，充模天數(shù)0.56s，最大進口壓力57.47MPa。再選用Pro/E軟件勁敵機殼展開鑄件設(shè)計分析。如前所述Pro/E軟件對“裙邊曲面”機能的鑄件展開表觀面優(yōu)先選擇，澆鑄操作過程選用M102z兩腔平衡粘毛。在成形零件設(shè)計、強化操作過程中，結(jié)合優(yōu)先選擇的表觀面，自動生成凹模和凸模，對其展開虛擬換裝。優(yōu)先選擇模架及零組件并將手機殼鑄件和模架換裝展開開模模擬操作實驗，最終設(shè)計出符合標準要求的手機外殼模架。

　　2 CAD/CAE技術(shù)在電動汽車高性能應(yīng)用領(lǐng)域領(lǐng)域的應(yīng)用領(lǐng)域

電動汽車高性能技術(shù)能降低電動汽車油耗、減少電動汽車尾氣排放。電動汽車高性能的主要目標是同時實現(xiàn)底盤高性能和零件高性能，能透過選用高性能金屬材料和底盤結(jié)構(gòu)強化設(shè)計來同時實現(xiàn)。選用高性能金屬材料（如工程建設(shè)塑膠和碳纖維復(fù)合金屬材料）代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬金屬材料廣泛應(yīng)用領(lǐng)域作電動汽車蓋板、前端支架、底盤構(gòu)架、傳動軸和輪轂等組件的制造。電動汽車高性能工程建設(shè)塑膠主要有聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺、聚氨酯等，通常選用壓鑄工藝。在塑膠制品量產(chǎn)前，能選用CAD/CAE技術(shù)創(chuàng)建塑件模型，針對壓鑄制品存在的缺陷（如充填不滿、收縮、燒焦、毛刺、流痕、Vertaizon形變等），需要用CAE演示強化，能方便快捷地強化壓鑄金屬材料、成形鑄件和工藝模塊，提高制品質(zhì)量、生產(chǎn)工作效率，和降低生產(chǎn)成本。

CAD/CAE技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域作電動汽車高性能組件設(shè)計，具體來說依據(jù)眾所周知的電動汽車零件。通常先量測實物得到眾所周知零件具體體積，選用Pro/E，UG，CATIA等軟件根據(jù)量測數(shù)據(jù)創(chuàng)建二維模型，借助有限元分析軟件ANSYS和Pro/E之間的數(shù)據(jù)交換接口，直接將模型導(dǎo)入ANSYS，Ansys?Workbench，Abaqus等軟件，根據(jù)零件的實際工況設(shè)置約束和載荷展開有限元分析，根據(jù)分析結(jié)果可選用Ansys?Workbench軟件進一步強化設(shè)計。楊咸啟等選用UG?NX軟件新建繪圖界面，根據(jù)量測數(shù)據(jù)繪制UG?NX草圖。執(zhí)行拉伸、孔、倒斜角、邊倒圓等命令完成產(chǎn)品二維模型，然后展開零件鑄件設(shè)計。選用注射鑄件生產(chǎn)電動汽車高性能零件，需要對凹模和凸模的結(jié)構(gòu)展開設(shè)計。在對凹模的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需要根據(jù)鑄件混煉的強度、剛度、耐磨性及抗疲勞性挑選出凹模材質(zhì)，確定凹模形式和混煉壁厚。對于凸模的結(jié)構(gòu)設(shè)計，要確定模芯結(jié)構(gòu)，并確定凹模與凸模的固定方式。零件模擬設(shè)計完成后，排序鑄件模塊，包括壓鑄量排序、鎖模力排序和注射壓力及成形結(jié)構(gòu)體積排序等。對于壓鑄量的排序，先點擊UG二維模型中的排序體能得到零件的體積，根據(jù)澆鑄控制系統(tǒng)凝料的總體積排序方法，挑選出適當估值，排序壓鑄成形機最大注射量。對于鎖模力，根據(jù)UG軟件排序的塑件在表觀面上的投影面積，挑選出投影面積系數(shù)，依據(jù)鎖模力的排序公式求取鎖模力。注射壓力和成形結(jié)構(gòu)體積的排序能選用常規(guī)公式求得。最后，優(yōu)先選擇壓鑄機和壓鑄金屬材料，借助鑄件加工遠距控制系統(tǒng)提出合理的加工工藝展開零件的加工成形。透過對眾所周知電動汽車零件的模擬設(shè)計能縮短產(chǎn)品設(shè)計周期并提高設(shè)計工作效率。陸玲梅等在對電動汽車天窗滑軌塑件設(shè)計中，具體來說選用UG軟件展開鑄件設(shè)計，然后運用Moldflow模流分析軟件對電動汽車天窗滑軌展開預(yù)成形演示。先將CAD模型導(dǎo)入Moldflow軟件展開網(wǎng)格劃分，即展開中層面網(wǎng)格、表面網(wǎng)格和實體網(wǎng)格的劃分，再對網(wǎng)格展開診斷并修復(fù)。之后展開模塊分析，包括充填分析、保壓分析、加熱分析、Vertaizon分析等，以挑選出適宜的塑件金屬材料，創(chuàng)建澆鑄控制系統(tǒng)和加熱控制系統(tǒng)，設(shè)置工藝模塊，最后展開排序并分析可視化結(jié)果。根據(jù)分析結(jié)果展開原料更換、方案修改和工藝調(diào)整，以得到最差的壓鑄成形制品。Moldflow軟件演示最差工藝組合模塊：保壓壓力為注射壓力的99.53%，保壓天數(shù)為13s，鑄件環(huán)境溫度為64℃，熔體環(huán)境溫度為265℃。

3 CAD/CAE技術(shù)在航空中國航天應(yīng)用領(lǐng)域領(lǐng)域的應(yīng)用領(lǐng)域

　　在航空中國航天應(yīng)用領(lǐng)域領(lǐng)域，燃油成本約占航空總成本的26%。飛行器高性能能有效降低燃料消耗，減少飛行器動力消耗。因此，能選用工程建設(shè)塑膠替代金屬金屬材料，還能選用碳纖維增強塑膠進一步減輕飛行器質(zhì)量。但由于航空構(gòu)件高性能對于航空器高速飛行和空中姿態(tài)等安全性能有影響，在展開高性能設(shè)計制造時需要展開嚴格模擬分析。

賈鶴在對航空機箱成形鑄件的研究中，選用UG軟件完成航空機箱、電子模塊、蓋板等的二維建模，航空機箱長320mm，寬194mm，高120mm，厚2mm。按照零件相互關(guān)系創(chuàng)建航空機箱體成形鑄件的二維換裝模型。以Parasolid的格式將換裝模型導(dǎo)入到Ansys?Workbench軟件創(chuàng)建有限元模型。選用相同的網(wǎng)格劃分、施加負載、分析天數(shù)和邊界條件對分別以碳纖維增強塑膠和鋁合金金屬材料為原料制造的航空機箱展開力學分析，并對應(yīng)力云圖和總形變云圖展開對比。結(jié)果表明，以鋁合金為原料，箱體質(zhì)量為820.6g，應(yīng)力集中區(qū)域在箱體底部一端，應(yīng)力最大值為1.117MPa，主要形變位置發(fā)生在箱體底部中心，最大形變量為0.001160?mm；以碳纖維增強塑膠為原料，箱體質(zhì)量為468.9g，較鋁合金材質(zhì)箱體質(zhì)量減輕了42.86%，應(yīng)力集中區(qū)域在箱體底部一端，應(yīng)力最大值為1.092MPa，主要形變位置在箱體底部中心，最大形變量為0.000990mm。以碳纖維增強塑膠為原料制造航空機箱，成形方式為鋪疊擠壓成形，即由多層碳纖維織布浸漬樹脂，之后展開逐層鋪疊，最終透過擠壓成形。成形操作過程中要求機箱內(nèi)部不能有氣泡和空穴，不能有塌陷、凸起和角落堆疊。借助CAD自頂向下創(chuàng)建內(nèi)模、外模及驅(qū)動裝置，并用Ansys?Workbench軟件對成形鑄件展開應(yīng)力應(yīng)變分析，得出成形鑄件最大應(yīng)力發(fā)生在外模上部，為40.693MPa，最大形變量為0.004148mm。最后選用UG軟件對成形鑄件展開運動模擬，明確各零組件之間沒有干涉情況。結(jié)果表明，選用碳纖維增強塑膠替代鋁合金制造航空機箱，各項性能沒有明顯改變，并且航空機箱質(zhì)量減輕了42.86%。裴允嘉選用有限元分析方法對選用碳纖維制備的重載四旋翼無人機的傳動控制系統(tǒng)展開了力學分析和裝配體結(jié)構(gòu)分析。該無人機選用燃油驅(qū)動，透過傳動控制系統(tǒng)，帶動4個變距涵道螺旋槳控制系統(tǒng)高效工作。選用二維制圖軟件（如CATIA，UG）對傳動軸結(jié)構(gòu)（包括傳動軸中間軸結(jié)構(gòu)、支臂外軸試驗臺、支臂內(nèi)軸聯(lián)軸器）展開設(shè)計建模，應(yīng)用領(lǐng)域ANSYS軟件對傳動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)展開了有限元強度分析。具體來說在Ansys?Workbench軟件中，分別以-45°，45°，0°，90°纖維逐層鋪設(shè)角度創(chuàng)建模擬模型并排序出受力情況最好的鋪層方式。應(yīng)用領(lǐng)域有限元軟件ANSYS求解碳纖維傳動軸承受扭矩載荷時的應(yīng)力與扭轉(zhuǎn)角度，并對碳纖維管扭轉(zhuǎn)強度展開模擬分析，得出銷孔位置所受應(yīng)力最大為787.11MPa，傳動軸受轉(zhuǎn)矩載荷后，扭轉(zhuǎn)角度為1.67°。在對碳纖維中間軸結(jié)構(gòu)有限元分析中，選用碳纖維T700作為中間軸金屬材料。選用CATIA二維建模軟件展開軸結(jié)構(gòu)設(shè)計及網(wǎng)格劃分，并用Ansys?Workbench軟件中的MeshMetric工具展開網(wǎng)格質(zhì)量檢查。結(jié)果顯示，中間傳動軸換裝結(jié)構(gòu)受載情況下，最大應(yīng)力點在中間傳動軸上的銷釘孔位置，為219.43MPa；大帶輪受力后位移最大，形變量最大為2.35mm。對碳纖維支臂外殼組件的力學特性展開有限元分析，導(dǎo)入有限元模型并展開網(wǎng)格劃分，選用Jacobian?Ratio方法檢查網(wǎng)格劃分的質(zhì)量。結(jié)果顯示，支臂受拉載荷下，碳纖維外軸最大應(yīng)力為138.44MPa，最大應(yīng)力部位在接觸邊緣；快拆結(jié)構(gòu)軸頭最大應(yīng)力為292.99MPa，最大應(yīng)力部位在鉚釘孔，齒輪箱軸頭最大應(yīng)力為186.88MPa。對內(nèi)軸聯(lián)軸器分析，金屬聯(lián)軸器選用鋁合金材質(zhì)，彈性模量7.1×104MPa，泊松比0.33；銷釘選用鋼材質(zhì)，彈性模量2.0×105MPa，泊松比0.30；墊塊選用聚乙烯材質(zhì)，彈性模量1100MPa，泊松比0.42。有限元分析結(jié)果表明，聯(lián)軸器所受最大應(yīng)力為63.92MPa，最大形變量為0.12mm。聯(lián)軸器墊塊最大應(yīng)力為13.35MPa，最大形變量為0.11mm。設(shè)計分析和強化結(jié)果表明，選用碳纖維金屬材料制造無人機傳動控制系統(tǒng)傳動軸能在滿足強度基礎(chǔ)上降低傳動結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，并可延長選用壽命。

　　4 結(jié)語

CAD/CAE技術(shù)廣泛應(yīng)用領(lǐng)域作塑件加工鑄件的設(shè)計和制造，能保證塑件鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠性和高效性，降低了生產(chǎn)成本，提高了產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量。

　?。ɑヂ?lián)網(wǎng) ：付饒 王炳樂 ）

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