CAE技术在有色金属加工装备智能化设计中的运用探讨

马 超，郭敬迪，门转平，王建杰

(中色科技股份有限公司，河南 洛阳 471039)

计算机辅助工程技术(CAE，Computer Aided Engineering)，是一个集多学科与工程技术于一体的综合性、知识密集型技术。CAE分析技术使复杂的计算过程层次化，使大量繁杂的工程分析问题简单化，节省了设计人员的大量时间。工程与制造企业的生命力在于产品的创新，而实现创新的关键，除了设计思想之外，还需要先进可靠的技术手段。而CAE技术作为企业创新和转型的最基本手段和工具，在产品设计、分析、新产品的开发等方面发挥了重要作用。通过对产品进行可靠性分析、性能分析，发现产品结构设计缺陷，并对其进行结构优化以满足产品的可靠性和耐久性。随着科学技术的发展，CAE技术在不同行业的拓展及应用加强，该技术的应用极大提高了产品的设计质量、性能，降低了产品的研发成本与开发周期。而传统有色金属加工装备设计方法已不能满足现状，制约了国内装备技术的转型升级，当前CAE技术逐步成为提升有色金属加工装备智能化设计水平的关键技术之一。

1 常用的CAE软件技术

随着计算机智能化、前后处理、人机交互技术的进步、有限元算法的成熟以及各实用学科的突飞猛进，为虚拟仿真开发创造了条件，推动了CAE更高层次的发展，使工程分析更快、更准确。CAE分析范围覆盖了结构、流体力学、多体动力学、工艺、装备性能等方方面面。CAE软件的类型可以分为3大类，分别是通用前后处理软件、通用有限元求解软件以及行业专用有限元软件。

通用前后处理软件，如Hypermesh，Hyperview，Ansa，Patran，TSV-Pre等，这些软件有多种CAD格式接口和CAE求解器接口，适合多种求解类型文件的生成。

通常的有限元求解软件包括：Abaqus、Adina、Algor、Ansys、Cosmos、MSC/NASTRAN、MSC/MARC、NEI/NASTRAN，这些软件都有着各自的特点。在行业内根据分析问题的不同，一般将其分为线性分析软件和非线性软件，例如Ansys、Algor在线性分析方面具有优势，而Abaqus、Nastran、Adina、Marc则在非线性分析方面各具适用的领域，其中Abaqus被认为是功能最强的非线性有限元求解软件。

在常用的CAE分析软件中，Abaqus与Ansys因为其友好直观的界面，强大的分析功能占据了绝大部分CAE市场。Abaqus/CAE，Ansys/workbench拥有专用前后处理软件，这类软件是求解器厂商，专门为自己的求解器开发的前处理工具，将建模、分析、作业管理和记过的可视化处理整合在一起，实现分析过程与分析工具的高度统一和紧密结合，提高了软件的集成性。Abaqus更倾向于从结构设计工程师的角度考虑问题，适合于工程应用；而Ansys则更加学术化，倾向于从有限元角度考虑问题，利于研究。如果分析对象是复杂的装配体，Ansys/workbench还是首选。

2 CAE技术在有色金属加工装备智能化设计中的作用

CAE软件在国内主要应用于汽车、航空航天、土木工程、电子等行业，以汽车行业为例，广泛应用于汽车设计与制造过程中的各个环节，如整车操作稳定性、零部件结构强度、整车震动与疲劳强度等方面。而有色金属加工装备的设计过程，CAE技术多数情况下是在研发后期进行设计校核，CAE在开发深度和使用效果方面远没有达到应有的程度。 下面介绍CAE技术在有色金属加工装备设计过程中的作用。

(1)CAE技术可在装备制造之前，模拟部件或装备的性能和工作状况，可减少传统设计制造环节中的重复过程，使设备的大多数问题在设计阶段通过仿真得到解决，提高设备设计质量和性能，降低设备的研发成本、缩短开发周期。

(2)传统设计中通常是依靠经验进行定性分析而缺少定量分析的设计方法，而CAE分析技术改变了这一现状，使设备减重、综合性能优化成为可能。

(3)采用CAE分析计算能在短时间内尝试和比较多种设计方案，减少修改的盲目性，降低设计研发风险，更快获得最佳的设计方案。

(4)灵活、方便、快捷的特点使CAE技术能够为设计工程师提供大量仿真试验数据和技术参数(其中有些数据甚至无法通过试验获取)，增加企业的经验积累和提高企业的设计能力。

(5)CAE可以对装备所加工产品的质量如铝带材受力变形后的板形、厚度分布情况进行模拟，也可以对装备在施加力的情况下对铝带质量的调控能力进行模拟，这样可以提高装备的应用效能，增强了装备做精做优的能力。

3 CAE技术在有色金属加工装备设计中的应用

CAE技术的应用改变了传统的设计方法和理念，可以尝试多种设计方案，减少盲目性的修改。同时该技术便捷、灵活的特点能为设计者们提供大量的模拟数据和技术参数，提升企业的经验和设计能力。下面结合CAE技术在有色加工装备的设计优化方面，以及在模拟有色加工装备对加工产品质量的影响与控制能力方面，分析以下应用案例。

3.1 在设计优化中的应用

3.1.1 基于Ansys的4辊光整机牌坊的有限元分析

为了满足板材的光整要求，获得更高机械性能的4辊光整机牌坊。牌坊结构研究采用 Ansys有限元分析软件对4辊光整机牌坊进行建模，牌坊的网格结构采用计算机自动进行智能划分，如图1所示。并对其施加位移约束和最大应用载荷，进行应力强度和位移的有限元分析，找出机架承受最大变形及应力数据，在立柱上部和上横梁圆柱体的过渡圆角处显示出了最大应力(图2)，最大应力值在材料的屈服极限要求以内，同时变形位移量满足牌坊的刚性要求。通过Ansys进行牌坊结构分析的有限元方法，可为4辊光整机牌坊的研究与设计提供参考依据[2]。

3.1.2 基于Abaqus的轧机弯辊和窜辊对轴承偏载的有限元分析

偏载现象是由于轧制力、弯辊力、轴向力和窜辊引起的受力不均等综合因素导致的，严重影响了轧机轴承的可靠性与使用寿命。针对轧机工作辊的轴承，运用Abaqus分析软件，结合实际工作中轴承套圈与辊子的接触状态构建两种不同窜辊量状态下的有限元分析模型，分析其偏载受力情况，获取偏载下工作辊沿辊身长度方向的接触应力分布规律。

由图3可看出，在弯辊块随轧辊窜动模式下，结构受封的偏心力矩与窜辊量呈现正比关系，显示出明显的扰度不对称；而在弯辊块固定模式下，窜辊对辊系扰度影响较小；在弯辊块不随动模式下的轴承接触应力大于弯辊块随动模式。结果表明窜辊量增大，轧辊轴承接触应力与偏载效应加剧。基于Abaqus分析发现了弯辊对轴承偏载效应规律虽然存在一定局限性，对轧机轴承的设计与制造仍具有一定借鉴价值[4]。

3.2 CAE模拟有色金属加工装备对加工产品质量的影响与控制能力方面的应用

3.2.1 基于Ansys的高速铝箔轧机工作辊温度场的有限元分析

铝箔轧机工作辊的热变形是影响产品带材板型质量的一个重要因素，因此进行了轧辊温度场和热凸度的计算分析。首先分析轧辊工作原理，建立其有限元分析模型，图4为轧辊的热边界条件。当轧辊在旋转工作时，工作辊的表面不断受热与冷却，辊面温度呈现周期性变化，并且受热与冷却状态沿工作辊轴向方向分布是不均匀的，热边界条件十分复杂。分析工作辊的工作机理可知，工作辊周围冷却环境变化对热凸度及温度场的影响很小。同时为了简化模型以及提高计算机分析效率，在有限元分析过程中的工作辊模型是对称的，可选取工作辊的1/4作为分析对象，简化计算模型如图5所示。

该案例结合某铝箔轧机工作辊的实际工况，将工作辊圆周方向的边界条件等效为多种换热过程，摩擦热的分析过程设置为采用包含滑动摩擦、粘着在内的预位移-滑动摩擦模型进行计算。运用Ansys软件对工作辊的温度场和热变形进行分析求解，并与生产现场的实验数据进行对比，验证了该模型与设置方法的可靠性。轧机工作辊温度场的有限元分析工作为辊型设计与板形控制提供了一定的理论依据。

3.2.2 基于Abaqus的铝加工常用的两类6辊冷轧机的有限元分析

6辊CVC轧机和6辊UCM轧机采用不同的板形控制策略进行各自的板形控制，为了全面、定量、准确获取两类冷轧机在不同工艺条件下、不同设备工况下的板形控制性能，采用Abaqus软件进行有限元仿真，构建其有限元仿真模型如图6所示，进行两类轧机各种板形控制性能分析比较。

从图7中可知，两种类型冷轧机各板形控制技术板形调控功效的大小。两种轧机在工作辊弯辊和中间辊弯辊两种调节方法上调控效果基本相同,CVC冷轧机工作辊弯辊调控效果略大于UCM冷轧机；而两种冷轧机的明显差别出现在中间辊抽动这一调控手段上，6辊CVC冷轧机的中间辊抽动调控功效明显大于6辊UCM冷轧机，这也是CVC冷轧机的优势所在。通过该案例可以看出，基于Abaqus的两类6辊冷轧机的有限元分析方法，为板形控制技术的创新与板带轧机选型提供技术支持。

通过以上几种CAE典型案例的应用可以发现，运用CAE技术，不仅可以对工件制造工艺性进行早期判断，而且通过对设计方案的模拟分析，能及时调整修改设计结构，缩短开发周期，通过缺陷预测来制定缺陷预防措施，改进设备设计，从而降低生产成本，提高设备的制造精度和整体性能。

4 结语

随着计算机网络技术、智能化水平以及软件技术的不断进步，CAE技术取长补短，功能日趋完善，通过该技术能高效的对有色加工装备和所加工产品进行仿真测试，确定机械设备相关技术参数，发现设计缺陷，优化设计流程，并降低新产品研发成本，在维护检修阶段可分析故障原因，分析质量因素等。但是CAE技术的应用不仅需要相关工程应用经验，还需要深厚的理论基础，否则CAE分析的可信度会令人质疑。在保证计算结果相对准确的情况下，尽量使复杂问题简单化，正确认识试验与CAE分析技术之间的关系。同时还要结合企业自身实际情况，由本行业的分析人员建立完善的CAE分析流程、规范及评价指标，才能实现CAE分析技术在有色金属加工设备行业上的经验积累与发展。随着CAE技术在制造业的大量应用，CAE咨询对于企业而言变得尤为关键，搭建成熟的CAE咨询及技术服务将会成为企业新的盈利点。