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基于虚拟样机技术的真空塔结构设计与强度校核
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  • 更新时间:2019-04-02
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  • 基于虚拟样机技术的真空塔结构设计与强度校核第一章 引言
    1.1 课题研究目的和意义
    在化工工业里,一些沸点高的热敏性有机化合物在进行精馏分离时,在常压下还没有达到沸点时就分解了,不仅使精馏过程失败,而且还会造成不必要的资源浪费,所以就必须减压精馏。而在真空状态下,物质的沸点会下降,进而可以完成精馏分离,这就是真空塔产生并应用于工业上的原因。随着工业的快速发展,应用于工业上的真空塔装置也需要越来越高的品质用以辅助工业生产,所以,对于真空塔装置的设计和生产也变得越来越重要。而对于真空塔的开发,传统的设计方法是花费很多时间与费用来生产制造出一批真空塔产品模型(称之为物理样机),然后进行实验分析,需要分析产品的功能、性能、可靠度、经济性等,而这些工作往往是不同部门来完成的,对物理样机进行分析的部门往往迫切地希望能对产品中存在的问题快速、准确的做出修改,以便能让产品顺利的进入下一部门测试,然而,这种愿景往往是不太可能的,如何在保证产品质量和性能的同时,还能缩短产品的研发周期、节约研发人力与物力,已然成为了困扰企业的最大难题,在急需解决这类问题的背景下,虚拟样机技术的出现,为攻克这一难题提供了新的思路与方法[1]。
    1.2 虚拟样机技术
    1.2.1 虚拟样机技术的功能和特点
    虚拟样机技术(Virtual Prototyping Technology,VPT)是计算机技术高速发展并结合相关工程领域发展需求产生的一种全新的技术方法。集成了包括CAD/CAE/CAM、计算机辅助建模仿真以及虚拟现实技术等先进计算机辅助工程技术[2-3]。VPT 的出现革命性的改变了机械产品的设计方法和流程,减少或摒弃了物理样机的研制,基于相关理论和数据,以并行设计代替串行设计,从设计之初就从产品的整个生命周期出发,通过对数字样机无数次的修改、分析、仿真、优化等,进而提高产品生产质量。虚拟样机技术与传统设计相比的优势有以下几点:
    1.缩短研发周期、降低生产成本。企业是以营利为目的,因此在缩短研发周期的同时,生产成本的高低,则直接决定着企业利润的多少。
    2.增强用户与企业之间交流。顾名思义,虚拟样机提供的环境一定是虚拟的,这样用户不仅可以直接参与设计的过程,监督设计的进度,还可以在产品的设计过程中提出新的要求,这是传统设计所远不能及的。
    3.有效的协同设计。传统设计方法往往是现有设计,在设计的基础上再进行性能的评估。这样一旦产品不合理,往往需要重新设计。而虚拟样机技术避免了这样的问题,设计人员与测试人员可以同时对虚拟样机进行修改,大大提高了设计质量。
    4.多方案的提出。虚拟样机技术可以在基本满足设计需求的同时,为用户提供更多种的选择方案。
    1.2.2虚拟样机技术的国内外发展状况
    作为一项先进制造技术,虚拟样机技术自产生之初就受到了全球制造企业的重视,通过近20多年的不断发展,已经成功在多个制造领域获得广泛应用,并不断推动着现代制造技术的高速发展[4-5]。虚拟样机技术最成功的应用案例莫过于美国波音飞机公司的777飞机,该飞机是世界上首架在虚拟环境下,以无图纸方式研发生产的,通过引进虚拟样机技术,实现了最终产品的一次装配成功。大大降低了 777 飞机的研发成本和研发周期,同时提高了飞机的整体性能(陈国文,2010)。同样在全世界范围内大力推广和应用虚拟样机技术的科研院所和知名企业数不胜数。其中包括了美国航天局(NASA)、空中客车、通用汽车、庞巴迪机车、西门子、摩托罗拉、卡特彼勒等。虚拟样机技术在美国、德国、日本等制造业发达国家已经得到了非常广泛的应用,涉及的产品由简单的自行车到庞大的飞机,应用的深度从简单的静力学分析到全系统的全面仿真(Mc Intosh,2006)。
    随着VPT在工业领域内的应用越来越广泛,相应的VPT 软件也层出不穷,应用比较广泛的包括 PTC 公司的 Pro/E、达索公司的Solidworks 和CATIA、西门子公司的 UG NX、MDI公司的 ADAMS 等软件,其中美国机械动力公司(Mechanical Dynamics Inc.)的ADAMS 在相关市场的占有率超过百分之五十。
    虚拟样机技术在国内的发展也在不断展开,虚拟样机技术在国内最早被用于军事和航空航天领域,后来对虚拟样机的应用研究不断扩大,但主要集中在一些大学、科研院所和大型的制造企业,在很多具体机械产品的设计制造中发挥了巨大的作用。比较著名的成功案例包括:中国航天机电集团第二研究院联合清华大学和北京航空航天大学进行了在复杂环境下多任务虚拟试验系统的研究与开发工作;山西经纬纺机股份有限公司通过和清华大学国家CIMS 工程技术研究中心联合以高速剑杆织机为主要研究对象,有针对性的提出了一整套的 CAD\CAM 整机装配的解决方案并实现了相应的虚拟化、软件化的工作,很大程度上提高了企业的研发效率,为其主要产品的市场化进程奠定坚实基础;武汉理工大学针对船用起重机在工作工程中的不同阶段,结合各阶段不同的性能参数,通过 VPT对船用起重机进行了可视化仿真,并在此基础上完成了对主要参数的分析优化工作[6-7]。
    虽然应用的范围在不断扩大,但是相比于发达国家,国内的虚拟样机技术应用研究仍然处于落后的局面,主要体现在:应用的范围和针对的产品非常有限;对虚拟样机的研究大多集中在复杂产品的开发上,而此类产品在技术和结构上非常复杂,开发难度非常大;相关产品的技术落后导致产品的更新换代非常缓慢;另外虚拟样机技术软件平台上,很多领域的国产软件要么功能单一无法满足设计要求,要么只能依赖国外软件公司的产品。以上这些因素很大程度的限制了虚拟样机技术在国内的发展。...
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