CAE技术在叉车产品研发中的应用

CAE技术在叉车产品研发中的应用

叶 文 李灿钦

柳州柳工叉车有限公司 广西柳州 545000

摘 要：CAE，在计算机辅助工程的字面意义，有一个足够广泛的概念来涵盖计算机化工程和制造的所有方面。传统CAE主要是指工程设计中的分析计算和分析模拟，其核心是基于现代计算机力学的有限元分析技术。分析了CAE技术在叉车产品开发中的应用。

关键词：CAE；叉车设计；制造仿真分析

前 言：在一个日益全球化的市场中，企业之间的竞争将表现在产品性能和制造成本上。CAE在产品开发和创新设计方面无与伦比的优势，使其成为现代工业企业在竞争日益激烈的市场中取得成功的重要条件。CAE软件可以对产品的性能、工程、安全和可靠性进行分析，并对虚拟操作的未来运行状态和行为进行战斗模拟，以便及早发现设计缺陷并优化设计;创新的实施伴随着设计质量的提高、研发成本的降低和研发周期的缩短。

1 概论CAE技术

CA E是计算机辅助工程,利用复杂的方法计算的强度、刚度、稳定性,在弯曲时,计算三维热传导以弹塑性力学性能进行动态分析和优化设计以及结构特性的数值分析方法。由于普及和计算机技术的不断改进,大幅度改善了CAE系统的精度和计算功能,所以各种CAE系统基于数值模拟产品应运而生,成为重要的工具来分析和结构优化,以及4C(CA D/E/CA PP/M)计算机辅助体系。CAD(计算机辅助设计),CA M(计算机辅助制造)和CA PP CA D技术用于建立CAE的几何和物理模型，并完成分析数据的输入，通常称为CAE预处理。CA E结果也需要图形输出图像是由CAD技术,如生成的位移贴图,应力等值线图,温度、压力分布、压力、温度和压力分布的变化,以及机械载荷和温度、荷载应力、温度、压力和其他动态图的位移和分布。我们称之为CA-E后处理。

2 时效特征

（1）CAE分析的时效特征。对于产品研发来讲，周期长短决定着市场占有率多少。然而，在产品研发周期内，中大规模CAE模型运算仍然出现了水土不服的现象，即分析周期远远落后于产品推进周期。如一款产品从调研到样机下线，最快仅需数月，而CAE分析中大规模运算周期可能单一模型就需要1个月，如分析方案中出现了多种备选方案，则计算周期根据运算数目适当延长，从而经常出现分析未做完，样机已下线的现象。这种现象在产品市场改进时尤为明显，市场上出现质量反馈后，整机改进时间非常局促，这段时间如引入CAE分析无疑对产品改进是一个很有力的支撑，然而在时效特征上，CAE引入反而拖慢了产品改进进度，这是一个看似矛盾的命题，其实质则是CAE分析与产品研发的时效冲突。

（2）时效核心剖析。对产品进行CAE分析时，虽然不同技术门类研发内容有区别，但实质上均包含“建模→前处理→分析→后处理”，这四个环节也是CAE分析的必要步骤。建模分为一维与三维，以简单的刚体动力学为例，如以一维分析为主，则需采用Newton-Raphson或Lagrange建立数学模型，如以三维为主，则需根据图纸建立三维CAD模型。虽然两者表现方式不同，但实质上均为建模过程。该环节所需时间与类型、规模、可用性均相关。例如，流体与固体基础理论不同，用于结构分析的模型往往需要处理后才能用于流体分析，无形中延长了计算周期。前处理也分为一维和三维，一维则以数值边界为主，三维则是指软件中的划分网格、施加约束、载荷等边界条件。分析为求解过程，即采用程序化的理论计算方法或者固化在商业软件中的求解器，求解数值。后处理则是指计算出的数值直接输出或以可视化方式呈现。以上的数个环节均与操作人员熟练程度和技术水平相关，特别是前处理环节，受经验影响较大。

3 CAE在叉车设计制造中的应用

（1）叉车结构强度分析。叉车结构强度是衡量叉车安全性和可靠性的重要指标。叉车结构强度分析通常包括用有限元法对叉车结构进行数值计算。由于叉车是一种非常复杂的结构，大多数的分析和计算都涉及到叉车的一些重要部分。分析主要包括静态分析、特征值分析(固有频率)和瞬态动态分析。静力分析可以确定其结构的位移和应力分布，以保证其在工作负荷下的安全性和可靠性。通过对特征值的分析，可以确定结构的固有频率和相应的振型。根据结构的固有频率和振动模式，可以帮助设计者分析和研究结构振动的原因，从而通过改进结构来避免共振。基于瞬态动力分析，计算了叉车结构在动态种植荷载作用下的应力、位移等物理应力响应。

（2）冲压涂层成形过程的计算机模拟。20世纪80年代末，计算机技术迅速发展，有限元方法越来越成熟。在全球叉车工业应用需求的推动下，钣金计算机仿真技术得到了发展，并在今天继续得到发展。在过去的十年中，冲压仿真分析得到了广泛的发展。国际上许多叉车生产厂家都开发了车盖成形仿真分析系统。熔体成形模拟分析为这些企业在冲压生产中提供了重要的支持，特别是在以下几个方面:对于量产阶段的缺陷分析和生产质量的提高，可以通过调整材料质量来降低成本。分析了板形、材料性能和零件形状对冲击强度的影响。冲压成形过程中考虑几何形状、变形应力状态和工艺顺序之间关系的冲击修正主要是通过有限元法和预植法仿真进行的。

（3）车辆性能仿真系统。叉车轮胎、门框、头框和前后桥的复杂系统的组成部分，承载载荷和工作场所的动态、速度和加速度的直线或曲线道路，通过计算机模拟的属性的完整性和准确性是非常困难的。

基于ANSYS/DYAN (ets -u)软件平台的虚拟试验场(VPG技术)二次开发是汽车CAE技术发展的新领域，是汽车系统性能的综合仿真与实现软件。VPG是在ANSYS/ls-dyan软件平台上开发并发布的。考虑到系统的不同非线性特性，以整车系统为分析对象。对标准车速和道路荷载作用下的车辆系统进行了结构疲劳、全频振动和噪声分析、数据处理和碰撞过程仿真。VPG拥有一个完整且不断增长的数据库。通过向用户提供完整的悬架模型、轮胎模型、标准道路条件和碰撞场景，促进了分析建模。分析条件更加标准化。VPG技术,可以模拟试验结果大多数原型阶段的发展道路上的车辆标准的产品,从而实现整体性能的节约开发成本上产生的试验“预测”结果。通过降低投资风险和缩短产品开发时间，可以在开发时间和成本方面获得可观的收益。

（4）叉车结构优化设计。优化结构设计的基本思想是在满足结构正常运行要求的前提下，设计出最轻(或最便宜)的结构。以最小的成本实现利润最大化的思想由来已久。近年来，随着信息技术的发展和有限元方法的逐渐成熟和研究进展，数学结构的规划与优化设计已逐步得到完善，并开始应用于实际结构设计中。自20世纪70年代以来，结构优化设计得到了长足的发展，在实际结构设计中发挥着越来越重要的作用和优势。将结构优化方法应用于叉车结构，设计出满足超轻量叉车工程要求的结构，提高叉车和叉车的经济强度，降低生产成本。

（5）叉车的动力学与动力学模拟。汽车动力学的研究始于上世纪初，叉车行业相对较新。叉车本身是一个复杂的多体系统，外部荷载的作用更加复杂和多变。人、叉车和环境之间的三角相互作用使得叉车动态模型的建立、分析和求解变得困难。按照方法前,花了原型进行了几轮测试,模拟试验和错误,道路和车辆性能,这不仅导致了成本的材料和设计周期延长,而且还出版了若干试验中难以实现,因其危险性。虚拟原型技术为叉车的动态仿真提供了一种方法。

利用CAE技术研究和开发叉车产品，在叉车设计的同时，可以进行静态和动态分析，以及平顺性、操纵稳定性仿真的模拟。在叉车行业推广这项技术，必将大大促进企业的技术进步，提高产品设计质量，带来可观的经济和社会效益。

参考文献：

[1]朱涛.计算机辅助工程（CAE）技术的应用及其新发展[J].机械制造与自动化,2018,（6）.

[2]杨瑞.CAE技术在叉车产品研发中的应用[J].力学与实践,2018,（3）.