机械产品的一体化抗疲劳设计

29 制造业信息化技术热点专家谈 CAD/CAM与制造业信息化·www.icad.com.cn 个分支将得到全面的发展。 (2) 集成化 虚拟产品的集成建模 技术、虚拟产品开发系统的集成化、虚 拟产品、测试和制造的集成化等。 (3) 智能化 将人的知识和智能融 入到虚拟产品开发技术中，使新产品 开发过程实现自动化，将智能化的知 识和的数字产品结合起来，使其具有 自律、分布、智能、仿生和分形等特点。 (4) 协同化 分布式异地协同虚拟 开发将是CAD支撑层的重要发展趋势。 (5) 虚拟化 虚拟化包括虚拟环境 的建立，还包括虚拟环境下产品的表 达、虚拟产品装配模型和虚拟产品模 型分析，进而发展到产品的虚拟制造 (VM)和虚拟企业(VE)等。 作为对VM的拓展和延伸，协同虚 拟制造（CVM，Collaborative Virtual Manufacturing）更强调让制造商把供 应商、合作伙伴和客户都带入制造过 程，通过他们之间的协同，在计算机上 实现制造过程。可以将CVM定义为基 于网络技术、数据库技术和分布式计 算技术，由制造商、供应商、合作伙伴 和客户协同参与的，支持供应链管理 和个性化服务的虚拟制造。 2.国内外研究与运用现状 虚拟产品开发的概念一经提出就 受到企业界的广泛关注，一些企业立 即着手局部性实施和应用。美国福特 汽车公司采用网络并行设计技术设计 制造的新型SS1型赛车从开始设计到 上道测试仅用了9个月时间；波音公司 采用虚拟产品开发技术成功地研制出 世界上第一架“无纸客机”——波音 777双喷机型，接着又研制出新一代 737客机；日本松下公司开发的虚拟厨 房设备制造系统可以允许消费者在购 买商品前，在虚拟的厨房环境中体验 不同设备的功能，按自己的喜好评价、 选择和重组这些设备，这些信息被存 储并通过网络送至生产部门进行生产 等。此外，还有用于开发新一代计算机 芯片、对正在设计的轿车进行虚拟道 路测试并评价轿车的道路适应性和驾 驶员视野，还有用于齿轮的并行设计 和装配、机器人的训练、检测、人机工 程分析、维修、安全性和维护性训练等 许多工业领域。 国家863高科技项目中亦安排有 基于e-Works平台，建立分布式虚拟设 计/制造平台，并在虚拟环境下考察和 评价产品的研发工作。 咨询邮箱：yj_ecw@sina.com 最近十几年，中国的机械制造业 发展迅猛，机械产品的出口大幅增长， 质量也越来越好。但是客观地说，中国 机械产品的设计水平及其信息化程度 仍然有待提高，特别是产品的抗疲劳 设计水平较低，直接影响了企业的产 品开发能力以及产品质量。我在这里 主要是想给大家介绍一下两种典型的 抗疲劳设计思路，一种是目前在国内 广泛使用的传统耐久策略，另一种是 最近才发展的，已经在一些世界著名 企业得到广泛应用的一体化抗疲劳解 决方案。通过分析对比让大家对一体 化抗疲劳设计解决方案的先进性有一 个初步的认识。 金属疲劳实际上是导致机械产品 失效的一个主要原因。一般说来，金属 材料只要受到动载荷，经过一定的时 间就会产生裂纹，裂纹可能继续扩展， 并最终导致构件的断裂。所以，在机械 产品设计时，既要防止由于疲劳引起 的失效，同时也要避免过头的设计，这 【 林晓斌 】 机械产品的 一体化抗疲劳设计一体化抗疲劳设计 关键词: 一体化抗疲劳设计 林晓斌 浙江温岭人，1982年毕业于浙江 大学化工系，1985年获该校硕士。1990 年至1995年在英国谢菲尔德大学机械 系攻读疲劳博士学位，1995至1996年 在该系做博士后研究。 1996年加入国 际知名的疲劳技术公司——nCode国 际有限公司。现为nCode高级技术专 家，北京航空航天大学兼职教授。 CAD/CAM与制造业信息化·www.icad.com.cn 30 制造业信息化技术热点专家谈 样才能堤高产品的竞争力。 既然金属有疲劳问，那机械产 品在开发过程中是怎么考虑的呢？我 对此作了一些调查，传统的思路是：先 构思新产品方案；然后按照企业内部 或行业规定做出设计，这些规定大多 数并不考虑实际的动载荷，不要求进 行疲劳寿命计算；设计完成后，制造出 若干样机；再按照规定对样机进行疲 劳试验。例如，汽车要做试车场考核试 验，飞机要做全尺寸结构疲劳试验。如 果试验结果符合规定，那么就认为产 品合格，否则需要重新修改设计，重新 制造样机，重新试验直至通过。可以想 象，由于疲劳试验非常耗时，这种基于 试验的产品开发将会非常的费时和费 钱，并且一旦试验出了问题，修改设计 也是盲目的。另外，即使通过了试验， 也可能不知道为什么能通过。有时候 甚至会发生试验通过的产品在实际使 用时仍然出现严重的问题。可是，大多 数中国的企业目前都在采用这样一种 设计思路，据我所知，疲劳问题实际上 正在困扰着国内的一些企业。 那么，有没有更好的办法呢？其 实，国际上很多专业公司早已形成了全 套的抗疲劳技术解决方案和软件产品。 一体化抗疲劳解决方案实际上是和计算 机、有限元以及数据采集和信号处理等 技术一起发展起来的，由于篇幅的关 系，我在这里只能给大家归纳一下它的 一些主要特点，较详细的描述可参阅 《中国机械工程》1998年第11期中的现 代疲劳设计工程应用技术专辑。这些主 要特点有：第一，以寿命为设计目标；第 二，全方位调查用户用途及使用环境， 尽量获取寿命设计所需的实际动载荷； 第三，在设计阶段进行广泛的“虚拟”分 析，应用疲劳理论进行寿命优化分析设 计；第四，试验只对“好”的设计进行； 第五，用试验关联验证理论，用理论指 导试验，两者互相配合取得信心；第六， 企业内部数据采集、实验室模拟及分析 设计各部门互相配合，进行数据流、信 息流一体化管理。一些世界著名的汽车 公司和飞机公司目前大多采用这种一体 化解决方案，实践证明，它能帮助企业 大大缩短产品的开发周期、提高企业的 市场竞争力。 由于工作的关系我拜访过许多国 外和国内的大型企业集团，深感中国 的机械产品的抗疲劳设计水平和发达 国家有相当大的差距，一是在发达国 家已得到广泛应用的“虚拟”分析，才 刚刚起步；二是没有完整的动载荷数 据；三是缺乏材料的疲劳数据；四是没 有有效的数据信息管理系统。但是，值 得高兴的是，许多企业已经开始重视 一体化抗疲劳设计技术，有些企业也 购置了nCode的疲劳软件。我相信如果 企业能尽快转变设计思路、培养人才、 大力引进推动虚拟设计分析，并开始 积累载荷和材料等数据，那么和发达 国家在机械设计水平方面的差距将会 很快缩小。 咨询邮箱：yj_ecw@sina.com 自20世纪80年代以来，CAPP技 术一直是先进制造技术领域的研究热 点和难点，国内外对CAPP技术进行了 大量的探讨与研究。近10年来，CAPP 无论是在技术水平还是应用程度上都 取得了很大的发展。根据覆盖18个国 家 的 国 际 制 造 战 略 调 查 项 目 （International Manufacturing Strategy Survey，IMSS）2000年所得到的数据， 得出结论：3年内CAPP和共享数 据库的应用将显著增加。而3年来国内 CAPP市场增长的趋势也证明了这一 点，预计未来3年这种高速增长的趋势 还将继续。 由于CAPP系统涉及问题的复杂 性和对应用企业具体环境的依赖性， 现代CAPP的应用 与发展趋势 关键词: CAPP、三维CAD 【 张振明 】 张振明 1967年5月出生，1999年获工学博 士学位。现为西北工业大学机电学院 教授、CAPP与制造工程软件研究所所 长，陕西金叶西工大软件股份有限公 司副董事长、河南省制造业信息化专 家组成员、西安市制造业信息化专家 组成员。