排序機(jī)遠(yuǎn)距設(shè)計(jì)(CAD)/排序機(jī)遠(yuǎn)距工程建設(shè)(CAE)技術(shù)在塑膠制品的設(shè)計(jì)制造中充分發(fā)揮著重要作用。借助CAD設(shè)計(jì)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(jī)械結(jié)構(gòu)，評價(jià)CAE排序結(jié)果。CAE是將工程建設(shè)問題模型化并運(yùn)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(jī)能和特點(diǎn)是模塊化設(shè)計(jì)和如前所述特征建模的具有單一資料庫機(jī)能的實(shí)體模型化控制系統(tǒng)，可用作鑄件設(shè)計(jì)和機(jī)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(jì)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的模擬確認(rèn)和強(qiáng)化，應(yīng)用領(lǐng)域作航空器、電動(dòng)汽車制造及鑄件設(shè)計(jì)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(yàn)證和強(qiáng)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(jì)與機(jī)械設(shè)計(jì)等應(yīng)用領(lǐng)域領(lǐng)域。CATIA軟件是法國達(dá)索公司開發(fā)的，CATIA系列產(chǎn)品可為電動(dòng)汽車、航空中國航天、船舶制造、鋼構(gòu)廠房設(shè)計(jì)、建筑、電子電力、通用型機(jī)械制造等應(yīng)用領(lǐng)域領(lǐng)域提供二維設(shè)計(jì)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(shí)實(shí)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(jì)，具體來說要?jiǎng)?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(jì)分析和可行性分析，先期設(shè)計(jì)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(jì)展開完善和強(qiáng)化，從而完成鑄件結(jié)構(gòu)抽象化，之后進(jìn)入詳盡設(shè)計(jì)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(jì)和成形零組件的設(shè)計(jì)，對澆鑄控制系統(tǒng)、加熱控制系統(tǒng)、側(cè)向抽芯和勾出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。透過充填分析、殼狀分析、加熱分析、Vertaizon分析強(qiáng)化壓鑄鑄件的詳盡設(shè)計(jì)，最后可調(diào)用模架和鑄件標(biāo)準(zhǔn)件資料庫展開換裝設(shè)計(jì)。本文主要綜述了CAD/CAE技術(shù)在一般塑膠制品制造、電動(dòng)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(jì)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(jī)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(jì)，并演示成形工藝能提升實(shí)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(jī)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(jī)外殼實(shí)體模型。借助ANSYS軟件展開靜力學(xué)分析，勁敵機(jī)外殼模型展開改進(jìn)，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(diǎn)，充模天數(shù)0.56s，最大進(jìn)口壓力57.47MPa。再選用Pro/E軟件勁敵機(jī)殼展開鑄件設(shè)計(jì)分析。如前所述Pro/E軟件對“裙邊曲面”機(jī)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(jì)、強(qiáng)化操作過程中，結(jié)合優(yōu)先選擇的表觀面，自動(dòng)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(jī)殼鑄件和模架換裝展開開模模擬操作實(shí)驗(yàn)，最終設(shè)計(jì)出符合標(biāo)準(zhǔn)要求的手機(jī)外殼模架。

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

電動(dòng)汽車高性能技術(shù)能降低電動(dòng)汽車油耗、減少電動(dòng)汽車尾氣排放。電動(dòng)汽車高性能的主要目標(biāo)是同時(shí)實(shí)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(qiáng)化設(shè)計(jì)來同時(shí)實(shí)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(dòng)汽車蓋板、前端支架、底盤構(gòu)架、傳動(dòng)軸和輪轂等組件的制造。電動(dòng)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(qiáng)化，能方便快捷地強(qiáng)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(dòng)汽車高性能組件設(shè)計(jì)，具體來說依據(jù)眾所周知的電動(dòng)汽車零件。通常先量測實(shí)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(shí)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(jìn)一步強(qiáng)化設(shè)計(jì)。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(jì)。選用注射鑄件生產(chǎn)電動(dòng)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(jì)。在對凹模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)鑄件混煉的強(qiáng)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(jì)，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(jì)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(diǎn)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(dāng)估值，排序壓鑄成形機(jī)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(jī)和壓鑄金屬材料，借助鑄件加工遠(yuǎn)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(dòng)汽車零件的模擬設(shè)計(jì)能縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期并提高設(shè)計(jì)工作效率。陸玲梅等在對電動(dòng)汽車天窗滑軌塑件設(shè)計(jì)中，具體來說選用UG軟件展開鑄件設(shè)計(jì)，然后運(yùn)用Moldflow模流分析軟件對電動(dòng)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(shí)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(dòng)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(qiáng)塑膠進(jìn)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(jì)制造時(shí)需要展開嚴(yán)格模擬分析。

賈鶴在對航空機(jī)箱成形鑄件的研究中，選用UG軟件完成航空機(jī)箱、電子模塊、蓋板等的二維建模，航空機(jī)箱長320mm，寬194mm，高120mm，厚2mm。按照零件相互關(guān)系創(chuàng)建航空機(jī)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(fù)載、分析天數(shù)和邊界條件對分別以碳纖維增強(qiáng)塑膠和鋁合金金屬材料為原料制造的航空機(jī)箱展開力學(xué)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(qiáng)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(qiáng)塑膠為原料制造航空機(jī)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(jī)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(dòng)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(yùn)動(dòng)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(qiáng)塑膠替代鋁合金制造航空機(jī)箱，各項(xiàng)性能沒有明顯改變，并且航空機(jī)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(jī)的傳動(dòng)控制系統(tǒng)展開了力學(xué)分析和裝配體結(jié)構(gòu)分析。該無人機(jī)選用燃油驅(qū)動(dòng)，透過傳動(dòng)控制系統(tǒng)，帶動(dòng)4個(gè)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(dòng)軸結(jié)構(gòu)（包括傳動(dòng)軸中間軸結(jié)構(gòu)、支臂外軸試驗(yàn)臺、支臂內(nèi)軸聯(lián)軸器）展開設(shè)計(jì)建模，應(yīng)用領(lǐng)域ANSYS軟件對傳動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)展開了有限元強(qiáng)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(dòng)軸承受扭矩載荷時(shí)的應(yīng)力與扭轉(zhuǎn)角度，并對碳纖維管扭轉(zhuǎn)強(qiáng)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(dòng)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(jì)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(dòng)軸換裝結(jié)構(gòu)受載情況下，最大應(yīng)力點(diǎn)在中間傳動(dòng)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(xué)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(jì)分析和強(qiáng)化結(jié)果表明，選用碳纖維金屬材料制造無人機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)傳動(dòng)軸能在滿足強(qiáng)度基礎(chǔ)上降低傳動(dòng)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(jì)和制造，能保證塑件鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)質(zhì)量。

　　（互聯(lián)網(wǎng) ：付饒 王炳樂 ）

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