為什么要選用分析仿真軟件

在工程機(jī)械領(lǐng)域CAE技術(shù)已得到廣泛而成功的應(yīng)用，作為最全面、最有效也是全球用戶數(shù)目最多的ANSYS軟件在卡特皮勒（Caterpillar）、JCB、VOLVO、小松（Komatsu）、BOBCAT、勒?qǐng)D爾勒（Letourneau）、上海港機(jī)、振華港機(jī)和華南船機(jī)等國內(nèi)外知名的工程機(jī)械廠的設(shè)計(jì)和制造中已得到廣泛應(yīng)用。卡特皮勒公司作為ANSYS的全面合作伙伴，其最新研究成果單鑄鋼臂前端裝載992G型裝載機(jī)，在設(shè)計(jì)階段就應(yīng)用ANSYS軟件作為其最重要的分析評(píng)估手段，它比傳統(tǒng)的雙臂結(jié)構(gòu)輕30％而強(qiáng)度不變。

ANSYS與機(jī)械工程工業(yè)

ANSYS與國內(nèi)外著名工程機(jī)械廠商的合作

ANSYS的研究和開發(fā)一直是面向企業(yè)的，在工程機(jī)械領(lǐng)域擁有眾多的用戶，他們通過與ANSYS的合作，在新產(chǎn)品開發(fā)、老產(chǎn)品改造、加工工藝設(shè)計(jì)和優(yōu)化方面得到了益處，通過ANSYS的虛擬樣機(jī)仿真分析，企業(yè)縮短了新產(chǎn)品的開發(fā)周期、提高了產(chǎn)品的質(zhì)量水平、降低了產(chǎn)品的原材消耗、完善了制造工藝技術(shù)等。ANSYS在裝載機(jī)設(shè)計(jì)制造行業(yè)也有成熟的應(yīng)用。下面選擇幾個(gè)有代表性的例子來簡單介紹一下ANSYS在一些著名的工程機(jī)械廠家的應(yīng)用。

卡特皮勒(Caterpillar)是一家著名的工程機(jī)械設(shè)備供應(yīng)商也是世界上最著名的裝載機(jī)供應(yīng)商，該公司自1996年7月購買了ANSYS后，利用ANSYS做了大量的分析，并連續(xù)幾年來追加購買ANSYS軟件，與ANSYS公司在其產(chǎn)品設(shè)計(jì)上大力合作。新一代的Caterpillar992G型、994系列裝載機(jī)設(shè)計(jì)中都大量應(yīng)用了ANSYS進(jìn)行分析仿真，使這些產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)形式的合理性和先進(jìn)性、節(jié)約實(shí)物模型試驗(yàn)費(fèi)用、材料替代、整機(jī)重量減輕、安全性加強(qiáng)及縮短產(chǎn)品開發(fā)周期方面都取得成績，目前正在開發(fā)的更大的996型裝載機(jī)也利用了ANSYS。

卡特皮勒的工程師安東.巴德威(Arden
Baldwin)在回憶幾年來使用ANSYS的感受時(shí)說：“這是一種美夢(mèng)成真。當(dāng)把它交給能干的工程師，它是一個(gè)令人驚奇的可怕的設(shè)計(jì)工具。”（"This is sort of a dream come true. When put in the hands of a capable engineer， this is a terrific design tool."）。
JCB是一家英國公司，它是世界上著名的推土機(jī)和物料搬運(yùn)機(jī)械供應(yīng)商，ANSYS在JCB的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一直發(fā)揮重要作用。設(shè)計(jì)人員把概念設(shè)計(jì)階段對(duì)各種結(jié)構(gòu)形式的想法建立到ANSYS中，然后對(duì)它門進(jìn)行快速的求解分析，通過ANSYS直接明了的后處理功能就能很輕易對(duì)各種不同的設(shè)計(jì)想法所計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比較和選擇，進(jìn)而得到在經(jīng)濟(jì)性、安全性、舒適性和工藝性方面最合適的一種設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)過程普遍應(yīng)用在JCB產(chǎn)品的底盤、車架、臂架（動(dòng)臂）、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)和聯(lián)接軸等結(jié)構(gòu)和部件的設(shè)計(jì)中。JCB負(fù)責(zé)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)的高級(jí)應(yīng)用工程師Rod
Latham在談到ANSYS時(shí)說道：“使用了ANSYS后，我們能夠作出快速和有效的分析，使JCB對(duì)那些能使我們的機(jī)器不斷完善的新設(shè)計(jì)理念作出快速反應(yīng)。”（"Thanks to the use of ANSYS， we are able to perform analysis quickly and cost-effectively. JCB， as always， can respond quickly to any new design philosophy which assures that the functionality of our machines is continuously enhanced."）。
上海港機(jī)股份有限公司（SPMC，www.chinaspmc.com）是中國是最大的港口機(jī)械供應(yīng)商，其生產(chǎn)的各種類型的大型港口散貨和集裝箱裝卸機(jī)械遍及世界各大港口，自80年代以來CAE仿真分析一直在該公司的生產(chǎn)設(shè)計(jì)中發(fā)揮重要作用，通過CAE分析保證其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性、經(jīng)濟(jì)性。進(jìn)入90年代后期，隨著港口機(jī)械朝著超大型和結(jié)構(gòu)功能高復(fù)雜性方向發(fā)展以及公司定位面向世界的發(fā)展戰(zhàn)略，面對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品技術(shù)設(shè)計(jì)要求和歐、美購買商對(duì)設(shè)計(jì)分析保證的嚴(yán)格要求，該公司原有的CAE軟件已經(jīng)無法滿足要求，SPMC于1998年購買了ANSYS軟件。ANSYS軟件在SPMC產(chǎn)品的四連桿臂架系統(tǒng)、門架、人字架、集裝箱起重機(jī)大梁、門框、駕駛室、機(jī)器房等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用。該公司設(shè)計(jì)的產(chǎn)品多次榮獲國家級(jí)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)，其為三峽大壩澆筑特別設(shè)計(jì)的世界上第一臺(tái)MQ2000型高架門機(jī)和青島港1600斗輪礦石卸船機(jī)更是世界首創(chuàng)，值得一提的是，據(jù)該公司的CAE部主任商偉軍介紹MQ2000型高架門機(jī)的專利技術(shù)--門架頂升快速接頭因通過ANSYS分析而省去實(shí)模實(shí)驗(yàn)一項(xiàng)當(dāng)時(shí)就為該公司省掉130萬人民幣并節(jié)約了兩周的開發(fā)時(shí)間。#p#分頁標(biāo)題#e#

SPMC在其網(wǎng)站的專有技術(shù)方面對(duì)ANSYS軟件在該公司的應(yīng)用中作了如下四個(gè)方面的總結(jié)：
ANSYS目前在我廠的以下四個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
a. 產(chǎn)品設(shè)計(jì)和研制，如外高橋橋吊、2000型輕型橋吊、BIW系列門機(jī)、煙臺(tái)橋吊，等等產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和開發(fā)都是利用ANSYS來對(duì)其進(jìn)行分析的。
b. 制造工藝，如橋吊前大梁預(yù)拱度的確定，總裝過程中，幾臺(tái)門機(jī)的協(xié)作工藝等。
c. 發(fā)運(yùn)加固，如BIW門機(jī)的發(fā)運(yùn)加固方案、緬甸門機(jī)和越南橋吊的發(fā)運(yùn)加固方案分析等。
d. 維修改造，如老門機(jī)和橋吊的維修及改造方案，承載能力評(píng)估等。

ANSYS能為工程機(jī)械產(chǎn)品開發(fā)和研制提供強(qiáng)有力的幫助

ANSYS是一個(gè)綜合的分析系統(tǒng)，致力于全方位地解決企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、研制和改進(jìn)中遇到的問題，在工程機(jī)械領(lǐng)域擁有廣泛的擁護(hù)群，也積累了很多的成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，下面就具體介紹一下ANSYS軟件在玉柴工程機(jī)械的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造過程中所能發(fā)揮的作用。

合適的CAE軟件或CAE解決方案應(yīng)該滿足下列的要求：

● 分析結(jié)果準(zhǔn)確，結(jié)算的結(jié)果應(yīng)該真正對(duì)設(shè)計(jì)研發(fā)起到真正的作用；
● 具有優(yōu)化功能；
● 方便易用，CAE軟件必須工程化；
● 與現(xiàn)有CAD軟件之間的無縫連接。

目前，工程機(jī)械生產(chǎn)商使用了多種三維CAD設(shè)計(jì)軟件，ANSYS有與所有流行CAD軟件的雙向接口，這樣CAE軟件和CAD軟件之間實(shí)現(xiàn)完全無縫的連接。而且可以將CAE分析的結(jié)果傳遞給CAD軟件，這樣使優(yōu)化結(jié)果直接產(chǎn)生為CAD模型，對(duì)企業(yè)研發(fā)來講非常方便。
工程機(jī)械結(jié)構(gòu)及其零部件的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

工程機(jī)械在整個(gè)作業(yè)循環(huán)過程中受到的載荷包括結(jié)構(gòu)本身的自重，物料的重量，運(yùn)行的牽引、制動(dòng)和回轉(zhuǎn)慣性力。通過ANSYS的靜力分析可以讓設(shè)計(jì)人員對(duì)所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在每種工況所確定的載荷的作用下其結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度及屈曲穩(wěn)定性情況有一個(gè)全面而準(zhǔn)確的了解。根據(jù)計(jì)算所得到的結(jié)構(gòu)上各處位移和應(yīng)力的分布結(jié)果結(jié)合相應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，判斷所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)可靠性和經(jīng)濟(jì)性，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)或優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而避免某些結(jié)構(gòu)或零部件由于過大的應(yīng)力或壓曲失穩(wěn)而損壞、并控制機(jī)械結(jié)構(gòu)整體及其零部件的剛性性能。另外，對(duì)于那些所受應(yīng)力較小、結(jié)構(gòu)材料利用不充分的區(qū)域可以結(jié)合加工和制造工藝的實(shí)際情況進(jìn)行材料板厚減薄、截面尺寸減小等，從而達(dá)到設(shè)計(jì)階段的成本降低控制。

整個(gè)機(jī)械是由多個(gè)部件通過螺栓、鉸、齒輪等裝配而成，局部區(qū)域的準(zhǔn)確分析就不能忽略各部件間的接觸關(guān)系，ANSYS由于有強(qiáng)大而容易實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)面面接觸和點(diǎn)面接觸這種復(fù)雜的非線性分析功能，以及螺栓、連桿、繩索等專用單元，因而可對(duì)由螺栓、緊固、捆綁或銷釘?shù)确绞竭B接起來的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確的分析，從而得到可靠結(jié)論，這是ANSYS軟件的一個(gè)獨(dú)特的功能。

工程機(jī)械結(jié)構(gòu)及其零部件的動(dòng)力學(xué)分析

工程機(jī)械結(jié)構(gòu)在工作過程中承受一定的動(dòng)態(tài)激勵(lì)載荷。可以采用ANSYS的瞬態(tài)(時(shí)程)分析來定量地確定機(jī)械結(jié)構(gòu)能否承受這些載荷、承載壽命是多少等。同時(shí)，ANSYS的諧波響應(yīng)分析、單點(diǎn)和多點(diǎn)響應(yīng)譜分析、隨機(jī)振動(dòng)分析等動(dòng)態(tài)分析功能可以以非常簡便的方式來計(jì)算出機(jī)械系統(tǒng)各部件在上述激勵(lì)載荷作用下的響應(yīng)問題。對(duì)挖掘和裝載機(jī)械設(shè)備而言，司機(jī)室在工作過程中的振動(dòng)頻率和幅值都應(yīng)控制在一定的范圍內(nèi)，以免影響司機(jī)的工作效率，通過ANSYS的動(dòng)力學(xué)分析就能夠求得司機(jī)室在工作過程中的頻率和幅值響應(yīng)，進(jìn)而來判斷司機(jī)室結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的合理性。

工程機(jī)械總體結(jié)構(gòu)及其零部件的疲勞分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)

挖掘設(shè)備在掘料、變幅、回轉(zhuǎn)、運(yùn)行、卸料的典型工作循環(huán)過程中，象動(dòng)臂、連桿及支架等主要構(gòu)件受到交替變化的應(yīng)力的作用容易產(chǎn)生疲勞，另外工程機(jī)械在制造過程中結(jié)構(gòu)構(gòu)件大量的使用焊縫，而焊縫往往是擴(kuò)張裂紋的起源，ANSYS的高級(jí)疲勞分析程序能夠很好地解決母材和焊縫的疲勞壽命預(yù)測(cè)。疲勞計(jì)算的應(yīng)力數(shù)據(jù)是基于靜力計(jì)算的數(shù)據(jù)，把靜力計(jì)算的數(shù)據(jù)按比例迭加到應(yīng)力-時(shí)程中，進(jìn)而用來進(jìn)行疲勞計(jì)算。另外，對(duì)于焊縫疲勞分析，ANSYS/FE-SAFE內(nèi)固化有BS7608英國結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范，可以有效地對(duì)焊縫的疲勞進(jìn)行計(jì)算。#p#分頁標(biāo)題#e#

ANSYS的結(jié)構(gòu)優(yōu)化包括參數(shù)優(yōu)化、形狀優(yōu)化和靈敏度優(yōu)化，當(dāng)設(shè)計(jì)師指定一個(gè)設(shè)計(jì)的目標(biāo)，那么通過ANSYS的優(yōu)化分析設(shè)計(jì)師就能知道通過什么方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行變動(dòng)才能達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)，而且給出各種修改方法的靈敏性。在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭中，質(zhì)量和成本是生命力的關(guān)鍵，而ANSYS在這兩個(gè)方面可以助您一臂之力。ANSYS的DesignXplorer

VT可以同時(shí)考慮多個(gè)參數(shù)的影響，并且通過一次求解得到整個(gè)參數(shù)優(yōu)化空間內(nèi)的所有結(jié)果。

工程機(jī)械的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析

耐久性、平順性和操縱穩(wěn)定性、振動(dòng)舒適性是關(guān)系到整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的重要性能，應(yīng)用ANSYS/Virtual.Lab

MOTION軟件可以充分模擬系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)規(guī)律，得到系統(tǒng)受外力、陀螺力和非線性摩擦力作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和速度、加速度、飛脫、彈跳等結(jié)果。Virtual.Lab
MOTION的強(qiáng)大的求解器可以毫不費(fèi)力地處理各種高級(jí)任務(wù)，如關(guān)鍵系統(tǒng)的高精度建模、處理柔性部件及其振動(dòng)、大加速度高頻系統(tǒng)、為其他分析提供載荷……。需要時(shí)，有限元求解器可以直接在后臺(tái)運(yùn)行，例如可以把柔體分析引入剛性系統(tǒng)，從而更逼真地觀察發(fā)生的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)下游分析需要載荷輸入時(shí)，如疲勞壽命預(yù)測(cè)，動(dòng)態(tài)反作用力可以立即無縫地加載到模型上。