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海克斯康制造智能

涡旋压缩机智能制造解决方案 | 设计工程

面临的挑战:
来自海克斯康的解决方案:

a)模拟仿真软件

目前制造业应用模拟仿真技术的比例日趋增高,在实际投产之前,仿真软件可以协助做相关的模拟分析,进而提前映射出在之后的生产过程中可能出现的问题。在专业工程师操作下,准确率可达80%以上,在压缩机行业,针对压缩机的结构形式、工作原理及所在工况,可以进行静力学分析、动力学、振动优化分析,声学分析,流体分析等。

•静力学和动力学分析模块

针对静力学分析功能,可求解结构在静力载荷作用下的变形和应力,分析其强度与刚度问题。包含线性静力分析及非线性静力分析,具体应用包括零部件及整机的强度、刚度校核、部件装配性能等。

针对动力学分析功能,可做模态分析,瞬态、频率响应分析,随机振动响应分析,噪声分析等,具体应用包括零部件及整机的模态分析,工作过程的应力响应分析,减振、隔振系统的性能及优化分析等。

•压缩机零部件强度和刚度分析模块

该压缩机可靠性验证阶段发生曲轴断裂,经分析断裂主要原因为断裂发生位置应力较大,与实验结果吻合。原始方案曲轴轴端挠度较大为0.434mm,改善后曲轴轴端挠度为0.123mm,解决转子扫膛问题。

压缩机上盖裂纹与仿真

该压缩机可靠性验证阶段上盖出现裂纹,经分析裂纹处应力远大于材料许用应力,模拟结果与实验结果吻合。

该压缩机开发过程中,对泵体施加螺钉预紧力合理性进行判断分析,从左图中可发现泵体整体向上法兰移动,且变形量较大,最大变形为0.0464mm,影响泵体设计间隙,确定需进一步减小螺钉预紧力。

•空调压缩机配管振动模块

对于此类工况重点分析以下内容:

①结构的模态分析:通过整体系统的模态分析,确定结构的固有频率和振型;

②结构的瞬态响应分析,确定管路系统在压缩机正常工作时的位移和应力;

③为降低管路的振动,确定配重方案。

•压缩机振动性能优化模块

分别以转子的铝端和平衡铁片的密度为变量,以压缩机顶部测点的振动加速度为目标函数,利用优化功能模块对转子平衡块的密度进行优化。

压缩机振动性能优化

在优化过程中,由于是以密度为变量,这在工程实际中实现起来有一定困难,但在概念设计阶段对平衡配重的选取有一定的指导意义。

通过对压缩机动平衡测试进行虚拟仿真分析,可以大大减少物理样机试验数量,减少产品开发成本及制造成本,缩短产品开发周期。

•多体动力学仿真分析模块

典型案例

此案例的目标主要是找到储液器回转振动最小平衡块配平组合方案。分析中需要考虑四个优化变量:平衡块A质量、平衡块B质量、平衡块A位置、平衡块B位置。对四个变量设定变化范围,以储液器回转振动最小为目标进行动力学优化仿真分析。在Adams中建立动力学模型和优化设置如下图所示。

动力学优化仿真模型

①建立了完善的压缩机振动仿真方法。

②通过Adams仿真优化的方法找到了平衡块配平较好的组合方式。

③通过平衡块优化,使得高转速振动下降5~15%。

•压缩机声学分析模块

压缩机尤其是空气压缩机是一类强噪声设备,强烈的噪声可以使人产生头晕、恶心、心律过速、高血压等症状,不仅导致人们的工作和生活质量下降,而且容易引发安全事故和人际关系矛盾,因此压缩机声辐射分析是此类产品优化设计的一块重要内容。

压缩机声辐射分析需要考虑的内容通常有:

①准确的压缩机模型建立:

–包括和声学相关的所有细节

–部件间的焊接连接和螺钉连接

–流体和气体区域

–流体 / 结构的强耦合

②采用实际边界条件的激励:

–压缩机工作过程的压力载荷

–曲轴支撑轴承上的力载荷

Actran是一款功能强大的专业振动、声学仿真求解软件,能够准确、高效的模拟振动辐射噪声、声致振动等流固耦合问题。其丰富的气动噪声计算方法不仅可以在时域、频域中进行流致噪声问题的求解,还可以基于稳态的流体动力学仿真结果,快速的进行气动噪声的预测分析。

•流体分析模块

SC/Tetra具有复杂网格生成功能,高速计算能力,且操作界面友好。其前处理可以帮助入门级用户建立复杂的模型以及生成高质量的网格。应用范围广泛,适用于汽车,航空航天,机械设备,造船,家电。

不连续网格

可计算含物体运动的流动,包括风机和涡轮机的旋转以及汽车或火车的行驶(平移)。该功能在进行分析时可考虑到盘式制动器中转子与垫之间的剪切发热。该功能还可以分析旋转和平移的组合,例如活塞泵。

适用于:风机,涡轮机,汽车或火车形式,活塞泵等

重叠网格

可将移动区域的网格与静止区域的网格重叠,该功能能够实现现有功能无法实现的问题(例如变形或旋转)。此外,还支持物体接触、多个移动区域重叠。该功能可用于分析发动机气道阀门的开启和关闭以及与其齿轮一起工作的齿轮泵。

适用于:发动机气道阀门,齿轮泵等。

在压缩机相关仿真领域,另一核心难点在于运动部件和啮合零间隙的分析。这恰恰是Cradle 流体仿真软件的强项。

齿轮泵以及齿轮,压缩机等方面,可以采用重叠网格技术解决最难的网格问题。


•热模锻仿真模块

热模锻仿真是当今CAE领域不可分割的一环。 本软件模块将便捷、直观、易用集成在一起,为热锻工艺的优化设计提供高质量的指导和预测。它能够过减少开发循环次数降低研发成本、降低试验成本,缩短新品上市周期。优化模具使用寿命,降低模具成本;提高机器利用率,从而降低固定成本;提高材料利用率,降低生产成本(比如减少毛刺等);优化工艺过程,降低制造成本;提高单个工艺过程的效率,降低能源成本。同时提高工艺稳定性,提高了目标工件质量;

热锻模块可对零件制造的整个热锻工艺链进行全方位仿真:比如从坯料下料开始,承接坯料初始热处理、镦粗、预成形和终锻、修边、冲压、校正、冷却、最终热处理等。主要用于高于再结晶温度成形的工艺仿真,除热模锻成形仿真之外,模块中还包含了切边、加热、冷却、磨具应力分析等一系列与热锻相关的仿真模块,满足全方位的仿真需求。 除此之外,还支持其它类似的热挤压成形仿真:比如说轧制工艺仿真。该模块不仅可以对坯料的轧制过程进行仿真,还可在一定精度上还原轧机和轧辊的复杂运动,并对模具应力进行分析,还可非常精准的还原设备运动规律。用户可按需对模具的运动进行方便的定位,一旦定义后,软件会自动将运动规范保存到数据库中以备后续使用,协助进行模具设计。

用户通过仿真将实际的测试和优化搬运到虚拟电脑中,大大节约了成本。

热锻模块采用独有的双求解器(FE和FV)求解技术,内置强大的冲压、摩擦数据库,且支持简便的用户自定义材料数据输入,能够为用户提供非常全面、快速、准确的仿真。轻松打破2D与3D直接的仿真界限,在工艺链中进行2D和3D的混合仿真,或进行全工艺的3D仿真,实现工艺链无缝对接计算,结果自动传递。双求解器优势互补,使用FV求解器可进行可靠、精确的皱褶检测,通过FE保证高效的求解速度,能够有效应对各种任务:模具、设备刚度的快速定义;工艺过程的鲁棒性分析;对CAD数据格式进行自动离散;通过模具应力分析功能,可对模具见的装配关系所产生的应力进行仿真;基于非耦合仿真方法进行模具应力仿真;定义弹簧模具;实现冲孔、修边仿真并简便转换模具类型(将模具类型转变为可变形模具或带传热的刚性模具);无飞边精细模锻;考虑压力机挠度的仿真设计;进行压力演变预测分析;弹塑性热力耦合材料模型;预测回弹和残余应力;对机械连接结果进行虚拟拉伸试验;进行带结果的后处理装配计算;并能根据分析结果,自动生成结果评价报告。

热锻工艺模拟

实现热锻、开式模锻、闭式模锻、热挤压、模锻、锤锻、多向模锻等热成形工艺仿真分析。热锻工艺包括两种算法:有限单元法(FEM)和有限体法(FV),分别对应隐式非线性求解器和显示非线性求解器。两种算法可以相互切换,即使用有限体法(FV)可以快速高效的计算大变形金属材料流动和折叠,帮助用户判断金属的材料流动和折叠情况,同样使用有限单元法(FEM)也可以分析材料流动和折叠,但是计算效率稍微低点。这样用户可以使用两种算法交互优化模型。同样可以多工序连续仿真成形。

多向热锻成形

可以实现复杂变形;多个工具、多个方向作用变形,很好的、精准的控制各个工具的精准运动,实现容易,定义简单。

多向锻造:热连锻工艺

从加热分析到多次锻压工序,每次仿真分析都考虑上一工序的温度、应力、应变等结果分布,保证了和实际分析的对应,充分考虑各工序的变形过程和变形结果

热连锻工艺

有限体积法:独有的有限体积法,可以实现复杂材料加工工艺仿真。快速计算成形。

有限体积法模锻成形

•焊接仿真模块

焊接仿真模块能够逼真的预测焊接变形及残余应力,并帮助用户制定最优的焊接顺序,以便将变形程度与残余应力降低到最小。通过在热影响区内对微结构属性进行计算,自动将零部件之间复杂的接触情况纳入操作范围,并对焊缝属性(尤其是焊缝强度)进行分析,让用户最大化的避免焊接缺陷,例如热裂。同时,能够运用真实的工装几何形状,将夹紧力也纳入了分析范围,协助客户选择最优的夹紧装置。

本软件通过预测工件最终的轮廓,可将误差降至最低,协助批量生产。实现整个焊接过程的全部工艺步骤可视化,因此能够对焊接过程进行实时检查,影响因素以及不同变化之间的对比一目了然。

本软件不仅考虑到了加热在焊接过程中的作用, 也可以同时创建初始的焊接过程,如:电阻点焊仿真。还可以解决有关焊接设备参数设置以及焊接工艺稳定性的问题。此外,还可以对焊接过程中涂层影响以及焊点顺序进行分析。

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海克斯康测量技术(青岛)有限公司