CAE仿真的并行实现.doc

CAE仿真的并行实现近来，CAE（计算机辅助工程）技术的突破性进展，导致在分布式共享存储器环境下CAE仿真的并行度达到新的高度。许多科研和商业使用的CAE软件可在SGI ccNUMA体系结构的256个处理器系统上运行。当代采用并行算法的典型CAE软件解决了中等并行度的瓶颈问题。但是要想得到处理100个处理器的并行功能，用户必须考虑一下系统软件的性能和系统的结构。 CAE仿真的并行方法 传统工业，诸如汽车、宇航和电站正面临要求越来越短的开发周期，并且要面临安全、环保和燃料充分利用的全面挑战。在富有竞争的商业环境中，传统工业也需要高质量和设计优良的产品。随着CAE技术的不断发展，仿真给业界提供了一个辅助设计的方法，使设计效率大为提高。以前，CAE仿真对工业设计的影响有限，这是因为建模和解决问题的时间不能满足开发进度的要求。在20世纪80年代，矢量体系结构计算机大大改善了CAE仿真的速度问题，但是这种改善是以很高的费用为代价的。精简指令集计算机（RISC）在20世纪90年代的出现，提高了性能价格比，但是基于总线共享内存并行操作的规模不能超过8个处理器。最近在并行计算方面的发展证明了分布式共享内存系统CAE并行运算的性能可以超过矢量计算机。SGI 2800就是这种系统的典型，性能价格比高也是这种系统最富有吸引力的地方。在许多工业领域中，这种趋势近来已经影响了CAE技术用户的投资方向。过去三年中，在可伸缩系统和并行CAE软件上，汽车工业已经作出许多重大投资。据估计，仅1999年一年，底特律三大汽车OEM的总的Gflop计算能力增长了两倍以上。在防撞性仿真、噪音震动和啸叫声（NVH）的分析和计算机流体动力学（CFD）仿真方面，由于商业化CAE软件的有效并行实现，它的应用日益广泛。在不到一年的期间中，底特律三大汽车OEM采用了总数达740个处理器的SGI 2800 服务器，包括两个分别配置128个处理器的系统，使现有计算能力达到375 Gflop。一个系统的架构是否能达到高度的并行有效性已变得越来越重要，开发并行CAE应用软件可以提高这种能力。从硬件和软件的算法观点看，可以概略地把CAE仿真“行为”分为三类来考虑：隐式、用于结构力学的显式有限元分析（FEA）和用于流体力学的CFD。关于并行实现的规模，以上每一类都有它内在的复杂性，这种复杂性依赖于并行方案的选择。大部分商业CAE软件使用基于域分解方法的分布式内存并行（DMP）方案。这种方法根据所需要的计算工作，把整个解决方案域分成许多大致相等的分区。每个分区和在分区之间传输的信息，在一个独立的处理器中进行处理。为了保持整个解决方案的一致性，分区之间的信息通过MPI（消息传递接口）传输。一些其他的有效的并行方法有：共享内存并行（SMP）实现及把DMP和SMP联合在一起的混合并行方法。而且混合并行方法已得到越来越普遍的应用，它包括了Eulerian和Lagrangian力学的混合，例如燃烧的仿真。混合并行方法尤其适合于分布式共享内存结构的SGI 2800。SGI 2800分布式共享内存系统基于高速缓存一致性非均衡存储器访问（ccNUMA）结构。内存在物理上是分布式的，但是在逻辑上对于用户而言是资源共享的。为了减少妨碍高带宽和可伸缩性的等待时间，SGI ccNUMA 的实现通过非阻塞的互连设计，把内存分布到每个处理器上。同时，为了简化编程任务，采用独特的高速缓存一致性的目录存储器，提供一个用户可全局寻址的内存资源。一个单一系统映像的SGI 2800系统可扩展到512个处理器，并且内存可以扩展到1Tb。这个系统是目前工业上可用的最大的SMP系统。 未来的发展方向 研究部门与工业界将继续增加它们在CAE技术方面的投资，把它作为产品和过程设计的辅助工具。这完全是由于经济利益和可扩展的CAE所带来的质量改善所驱动的。有效的CAE仿真意味着提高造型分辨率的进一步提高，并在早期开发阶段就可以作出更为全面的评价。运算法则的进步和新的硬件体系结构的出现导致了CAE方法论的提高，伴随这些进步，已改善的CAE可伸缩能力将进一步进入到一个崭新的十年。这些提高将刺激CFD建模在瞬间流动状态的应用、建筑机械学不确定性的广泛实施应用，以及多规程液流与结构相结合的生产应用等许多方面，在其它建模工具应用中也会有提高。用于瞬时状态的CFD仿真已进入工业化应用阶段。用于瞬时流态的仿真包括自动推进的电力火车汽缸内部燃烧应用、地面滑行的飞机的空气动力学问题的应用、商业航行器的非巡航状态的空气动力学应用、涡轮机器的压缩机和燃烧室的热空气流动的应用，以及涡轮设计应用。结构FEA仿真目前正经历一个从确定性到不确定性的历史性转变。对单个FEA分析的变化不大，高度并行随机技术正被应用于更好地解决诸如材料特性分析、测试条件、制造和装配等方面设计中的不确定性问题。显式FEA方法在特殊情况下适合于不确定性仿真。使用显式FEA动力学进行高度短暂的非线性造型，诸如汽车等交通工具的碰撞、气囊与驾驶员的交互作用以及飞机与飞鸟的碰撞，都呈现出实际参数的分散性。随机仿真发展的事实表明，CAE仿真正朝着单学科与多学科结合的方向发展。近来，蒙特卡洛随机方法已经应用于汽车设计中的NVH和防撞性研究。 结论 增强并行可扩展能力的研究将继续在软硬件方面发展下去，这将使造型分辨率进一步提高成为可能。的确，有显著经济效益的、可扩展的CAE仿真已表现出它可以全面应用于科技和工业部门的能力，并且随着技术的发展，在工业设计中将继续得到更为广泛的应用。继续得到更为广泛的应用。 用表面涂层法有效提高PET瓶阻隔性聚酯（PET）是饮料包装领域的主要原材料之一，具有透明性好、化学性质稳定、阻隔性相对较好、质轻价廉和可回收利用等多种优点，但作为啤酒瓶，PET的气体阻隔性仍不够高。因此，提高聚酯瓶的气体阻隔性是啤酒塑料化包装的一个主要研究方向。其中表面涂层法是研究最早、最多的工艺之一，已成为提高聚酯瓶的气体阻隔性的重要手段。表面涂层法是采用各种高阻透涂料和各种涂覆技术，在PET瓶的内外表面形成很薄的阻透层，隔绝气体的进出，达到啤酒保鲜及延长货架期的目的。等离子体涂覆技术各种涂覆方法中最具有市场潜力的开发热点是等离子体涂覆技术。等离子体表面外理技术兴起于20世纪60年代，是一种干式处理工艺，具有操作简便、清洁、高效、安全无污染等优点，能满足环保的要求，等离子体表面处理的深度为纳米级，在使材料界面物理性能得到显著改善的同时，材料本体不会受到影响。钻石型碳涂层（DLC）日本日精ASB与日本麒麟啤酒公司、三菱商事及Youtec公司合作开发出钻石型碳处理工艺（DLC）。该工艺采用高频电流真空放电使离子碳氢在瓶子内表面相形成厚度为20-40nm的类似钻石碳结构精细涂层。该材料对氧气阻透性提高8倍，耐紫外线能力也有提高。该涂层不仅透明度高，涂层柔软，不易龟裂，而且耐酸碱。这几家公司正在合作开发工业化生产设备，并计划首先向中国市场推广。无定形碳涂层无守形碳处理技术（Actis）是法国Sidel公司开发的阻隔处理技术。该技术与DLC技术类似，等离子化乙炔在瓶子内壁凝聚成一层高度氢化的非晶态碳的均匀固体腊，厚度20-150nm。采用Actis工艺外理的PET瓶较普通PET瓶的隔氧效果提高30倍，对C02的阻透性提高7倍多，防乙醛的渗入性提高了6倍。用这种瓶装啤酒贮存6个月后，碳酸气损失北海仅为6%，比目前啤酒工业标准的10%碳酸气损失率还低。该涂层对食品的安全性已通过欧共体机构认可，并获美国FDA批准用于食品包装。该工艺处理的PET瓶在回收利用上具有很强的优势。由于涂层材料用量小，且结构类似于聚合物，因此用回收的Actis瓶制造的纤维，物理性能和色泽均无影响，与其他未经涂层处理的原料混合使用不影响转化处理过程或最终包装的特性。Sidel公司生产的第一种商用设备Actis20，每小时可处理1万个0.6l的PET瓶，设备已销往美国、日本、澳大利亚、葡萄牙等国。阻隔性硅胶涂层可口可乐公司与德国埃森大学、德国Krones公司及Leybold系统公司四方合作，开发了提高阻透性的硅处理PET技术。该技术是在高真空等离子状态下，采用SiOx作物理蒸气沉淀处理，处理层在瓶子的外部。椐称用此工艺处理的瓶子可提高阻透性2-4倍，延长货架期至少6个月，而且不影响啤酒的气味。据Krones公司称，该法的处理工艺费用比使用PEN瓶或多层瓶更经济。该公司与Leybold公司合作已在德国的一家可口可乐公司的灌装厂安装了一条生产线。瑞士TetraPak包装公司开发了一种在PET瓶内壁等离子涂覆SiOx涂层的技术，该工艺可在瓶内壁形成一层厚度为0.1-0.2l的PET瓶，并已在瑞典的Spendrups酿酒公司应用。其它涂层技术瑞士Instant表面技术公司开发了一种可在大气压下等离子涂覆的技术，使阻透层沉积于PET瓶内壁。据称，该技术无需昂贵的设备，简化了涂覆过程，并且涂覆后的PET瓶较普通瓶隔氧性提高了10倍。意大利的Sipa公司开发了一种环氧-胺外涂层PET瓶。该工艺选用美国PPG公司的环氧-胺阻透涂料，形成光亮的耐划伤阻透层。TetraPak公司还推出了一项阻透涂覆新技术，用一种两层瓶，通过对阻透层厚度的调整达到希望的阻透效果。阻透层采用的是陶氏化学公司的热塑性环氧树脂，既有较高的透明性又有极好的气体阻隔性能。美国杜邦聚酯公司开发了一种新的两段涂覆技术，对O2及CO2的阻透性可提高30倍，且底漆可用水分离，材料回收方便。杜邦公司开发的另一项被称为透明的铝的外涂覆技术可使阻透性提高30-40倍，该技术已接近于商业化。但是，表面涂覆技术提供的阻隔性能会受到瓶子比表面积的影响，内涂层则存在对食品的安全性问题，另外，部分涂层的柔韧性欠佳，其中SiOx涂层较脆，易剥落。而其他方法也存在着或多或少的问题。因此，开发更新工艺，全面提高聚酯瓶阻隔性，还有很长的路要走。CIMT2001电火花机床评述CIMT2001热热闹闹开始了，盛况空前。在电火花加工机展台前的观众有两种较普遍的看法：一些观众认为电火花加工技术的发展似乎越来越慢，没有多少令人兴奋的大进展；又有一些观众认为该技术过于繁琐复杂，甚至模糊不清，要采购到自己满意的机床心里没底。对于第一种疑惑，您只要稍稍深入了解一下就可以明白，电火花加工技术经过半个世纪的发展后，已经成熟了。就象百米赛跑，已进入10s大关，每提高0.1s都是一个飞跃。虽然电火花线切割的轮廓加工精度TKM仅从5µm提高到3µm，但这对精密模具行业来说，却是一个了不起的突破，能够带来惊人的效益。第二种观点所反映的问题，的确应该引起行业的高度重视。因为电火花加工技术发展实在太快，我们用户的水平有点跟不上。因此，我们需要引导参观者从掌握产品的技术背景着手，从各项技术发展总趋势的高度上去了解和评估各参展厂商的水平。由于市场的全球化以及信息技术的高度发展，作为市场服务的技术，其内在实质日趋一致。虽然市场定位不同，各有特色，但这只能占一小部分。所以用户只要看该产品的主体是否在主流水平上，估摸其技术的成熟程度，有什么特色，就能做出正确的评估。1 电火花加工机的共性技术1.1智能技术电火花加工从一开始就采用伺服进给，有一定的自动化。从上世纪70年代末开始引入数控技术，机床能按编程自动定位，手动加工。但电火花加工工艺复杂，随机事件多，按既定方针是无法处理的。例如加工间隙内电蚀产物的堆积、集中放电、甚至起弧等，都要靠有经验的技师不断观察、判断，试探着调整，排除故障，优化加工参数，才能安全高效，实在是不容易。这就出现了早期的智能技术-适应控制。今天智能化已成为电火花加工机床的核心技术，先进程度的标志，已渗透到每一个部件中。这种人工智能体现在能根据加工要求，按应用分类，配以相应稳定可靠的支撑硬件，以及在实验室和生产验证中生成的工艺数据库和计算方法软件，这样一个完整的体系才称之为专家系统。例如瑞士夏米尔公司的ROBOFORM 35P成形机，它把加工对象分成6类：标准加工、大面积加工、窄槽、微细、抛光以及从尖角开始放电的加工方式。它们各有各的规准组合和控制技术，如大面积加工在电极抬起和恢复加工瞬间按面积的大小有响应平稳的速度曲线，既能满足排屑要求又能避免过大的泵唧效应引起电极乃至机床的变形。相反如是窄槽加工，出来规准不同外，必须采用高速抬刀，才能保证深窄槽免冲油的稳定放电，而且抬刀的高度和防止电弧放电的检测电平会随着加工深度的改变而变化，在安全的前提下有最高的加工效率。总之智能化是火花间隙检测技术、模糊控制技术等高新技术和大量艰苦的基础实验科学建库工作的有机结合。1.2工艺诀窍展台上商品价格中创新（各种专利）和软件所占比重明显加大。例如一台HP4喷油嘴专用小孔机，重不过500kg，装置一眼就能看清楚，开价高达50万美元，理由是它提供整套加工诀窍，能满足最严格的小孔加工精度要求，CP值在2以上。过去买东西看得见摸得着，沉甸甸的一大堆，心里比较踏实，如今最值钱的可能就是几张轻飘飘的盘。但这是按照“交钥匙”协议， 一旦安装，立刻能投入正常生产，无需用户调试和任何技术投入，这就是知识经济带来的好处。1.3自动化技术如今国内人力资源丰富，自动化似乎是一种奢侈和浪费。但对于模具工业，由于熟练操作工的缺乏，能省人工还是很重要的。只要稍稍注意一下，展台上类似信息很多。例如日本牧野公司推荐用一台CNC工件和电极机外预调单元，一台EDM CIM小型数据处理中心和一台配置10个可交换工作台的EDGE2电火花成形机来代替三台独立运行的EDGE2，人力成本可减少1/3，此外资金投入亦可降低18%，何乐而不为呢？1.4网络技术中国即将进入WTO，模具工业和世界接轨势在必行，所以机床的网络技术（对品牌机这是常规功能）我们不要忽视了。例如瑞士阿奇公司的机床可以网络遥控完成机床上除了开机外所有的事，网上数据交换、培训、咨询、维修保养服务。用户只要增加一点点投资，开通联网功能，他带来的好处是长远的，非常可观的。 决定黑色色母粒质量的因素黑色色母粒的质量决定于下列因素： 色散度 覆盖力 流变性 相容性 稳定性 色彩明暗度色散度要高黑色色母粒是使用碳黑来生产的。生碳黑是非常难处理而且肮脏的混合物，它布满了灰尘、重量轻、呈蓬松状。除非采用大规模的处理措施，否则它会弄脏机器和工人，使工作环境变得肮脏。正因为如此，铸工们普遍选择在一个树脂载体上，也就是黑色色母粒，完成碳黑的预色散。这个树脂载体是乾净的、自由流动和易于使用的。另外，碳黑除了肮脏之外，还有一个特性就是难于进行色散。如果注模时直接把生碳黑熔化，着色效果会非常差。没有色散的碳黑条纹和斑点区域若靠在着色较少的地方旁会明显的显现出来。标准的注塑机器不能有效的色散生碳黑。碳黑这种难于色散的性能也困扰着色母粒生产商。使用单或双的螺旋挤压机生产的高负荷黑色色母粒的色散性非常差。当最终使用者把这些黑色母粒混合或模铸时，它的性能仅比碳黑稍好一点，但效果同样令人不满意。为达到一个稳定的高度色散性，必须使用高水准的剪切漯合机来混配碳黑，诸如FCM或BANBURY的混合物。利用足够的强度，这些混合机可以使碳黑和基础树脂完全混合在一起。所使用的碳黑类型也影响着色散性。碳黑微粒越小，色散就越难。薄腊的应用是最讲求色散性要求的。色散差的母粒的最终产品从边角就能易于被肉眼看到。除了缺乏美感之外，薄膜里色散差的碳黑明显地降低了黑色薄膜防风化的性能。具有良好色散性的小微粒是纤维工业的主要特徵，这些纤维用于绳、纱、地毯以及其他工业。大型机器以每分钟5000米以上的速度同时生产出30000股细纤维。如果色母粒的色散太差的话，将会弄断纤维，导致生产停工。覆盖力要强决定黑色色母粒质量的第二个因素是覆盖力，对于用于废料或再生聚合物的色母粒来说，这个因素尤其重要，在这些情况下，黑色的作用是要覆盖废料中的其它颜色。大颗粒碳黑的着色能力较差，不易覆盖其他所有在下层的颜色，结果最终产品只得到偏离了的色彩。在熔化过程中，正确地先择具有高着色能力的碳黑来覆盖现有颜色的能力就是所谓的覆盖力。流动性要好决定黑色色母粒质量的第三个因素是流变性和流动性。若一个色母粒本身具有良好的色散性，但是它不能流动进入所要模铸的材料中，那生产的效果也不理想。一般来说，用于生产色母粒的打底树脂具有较高的流变性。为了节省成本，一些色母粒生产商用重复使用的材料、废料或再生料作为树脂载体。如此生产的色母粒的流动性能将会显著降低，如果流变性不好，铸模工会在循环时间和外观处理上遇到麻烦。值得注意的是，如果色散性和流变性不高，有些最终使用者会通过提高稀释比来弥补，不过这种做法只会增加了色母粒的使用成本。具有最小稀释比的色母粒可以产出均匀的、色散好的黑色。相容性要大相容性的决定黑色色母粒质量的第四个因素。如果色母粒是使用切屑或再生料生产出来的，那么它可能含有污染物或其他不可熔化的聚合物。这会引起一些不可预料的、难于约束的麻烦，浪费了最终消费者的时间和原料。这时，可以选用打底树脂来生产高质量的色母粒，母粒在熔化过程中才有良好的相容性。优质的色母粒可使用LLDPE、LDPE、HDPE、PP、PS、SAN、PA以及其他材料来生产。如果已注明工程级和严格的物理性能，那么特殊的聚合色母粒可以得到的。几间国际上大型的色母粒生产商，都在进行研究，以图生产出所谓的全球性通用的色母粒。这些色母粒可以广泛的和其他原料相容，具备良好的流变性，可灵活应用。稳定性要一致在今天的国际化经济中，国际性的顾客对色母粒的质量、生料的稳定性能等要求高是绝对必要的，这也是决定黑色母粒质量的第五个因素。稳定性的一个主要表现就是平稳的碳黑比例。如果碳黑的百分比是波动的，那么需要熔化的色母粒的数量是不相同的，要生产同一色调的产品也不可能。一些最终生产者反映：化们要求的稀释比通常有5-8%的差异，视乎色母粒生产商在制造时投入了多少材料。显然这是个不可接受的。当然，其他因素如注入熔液的流动性和色散性应该与每一批的投料量相一致。明暗度要分明决定黑色母粒质量的最后一个因素是色彩的明暗度。市场上有各种碳黑类型可用于色母粒的着色，但各类的颜色与价格也有很大不同。大颗粒碳黑比小微粒碳黑具有较低的着色度和不同的底色。大颗粒色母粒适用于诸如垃圾袋薄膜生产，但不适用于生产那些注重美观的产品，例如电视机招牌或需要防紫外线的地方如农用薄膜或外用管道。对这些产品来说，唯有使用价格较高的小微粒碳黑。另外，低透明度也是小微粒碳黑的一个特质。普通碳黑的分类及应用范围SRF碳黑一般用于那些不需要强着色力、高覆盖力或紫外线保护的垃圾袋生产。颜色倾向于灰蓝色的，价格便宜，并且相对易于色散，因此那些只配备有单或双螺旋挤塑机的母粒小厂商会选择这种碳黑。HAF碳黑的微粒大小是SRF碳黑微粒的一半，但着色强度是其2倍。呈棕红色，其紫外线保护能力明显强于SRF碳黑，且成本低于P碳黑。它具备良好的覆盖力，可以应用在很多方面。P碳黑适用于防紫外线应用以及食品工业中，呈红蓝色。JET碳黑具有最令人满意的色彩明暗度，呈深的，有光泽的黑色。它的颗粒是最小的，但不易于色散。只有那些配备高效剪切混合机的厂商使用JET碳黑时才可取得一致的色散度。它也是普通碳黑中最昂贵的。成本比较显示，较贵的色母粒比便宜的色母粒可以经济地得到较好的生产效果。为什么会这样呢？举例说，一个最终生产者购买用SRF碳黑生产的色母粒含50%的碳黑，每公斤的成本系数是10，他把8%的母粒加入聚合物中取得客人要求的着色效果；他也可以选择尝试用含45%碳黑的HAF母粒，同样的着色效果，每公斤的成本系数是16。因为HAF碳黑的着色强度差不多等于SRF碳黑的2倍，他可以明显地减少母粒的投入量。每吨模铸原料的母粒成本：SRF8% 80公斤成本因素10 = 每吨成本800HAF4% 40公斤成本因素16 = 每吨成本640不同型号的色母粒应用于不同的领域的典型色母粒：应用碳黑类型负荷稀释比特性汽车保险杠P40%-电子JET50%0.9%普通树脂饮用水管（HDPE）P40%6.25%添加工艺提高生产率及感官性能土工漠、河塘衬垫HAF40%根据不同的应用有所不同一般为6.25%紫外线性能农用薄膜HAF或P40%6.25%防氧化剂与纯净碳黑微粒的结合提供了紫外线保护性能纤维P40%3.75%极好的色散性，低发热性综上所述，黑色就是黑色这种概念是错误的，在现实中，许多因素决定了黑色母粒的主要成分-碳黑的类型。这其中有颗粒的大小、着色能力、色彩几个方面。每种特性均影响着色母粒的质量。母粒自身质量的明显差异是由碳黑的色散性、所用生料的质量以及生产母粒的机器几个方面所引起的。根据以上所提供的资讯，最终生产者应该在选购时询问色母粒制造商以上的考虑因素，以保证得到质量最佳的色母粒，投入到各种应用中，同时，使他们的生产工艺最优化。复杂箱体类铸件的LFC用发泡模具的国产化实践 引言箱体类铸件是比较适合消失模铸造(Lost Foam Casting)的一种类型。一般而言，箱体越复杂，消失模工艺越能发挥其优势。国外用LFC法生产箱体类铸件的公司有美国GM 的Saturn（生产球铁差动器壳体）和意大利FATA的Teksid（生产灰铁曲轴箱体）。国内用LFC生产箱体类零件的企业有：重庆南川通发特种铸造厂（生产载重车齿轮箱体）；山西临猗华恩公司（生产差速器壳）和山西左权龙泉冶金铸造有限公司（生产变速箱壳体）。1998年初，安徽合力叉车集团（简称合力集团）引进德国消失模白区制模技术，其产品对象主要是叉车用各类箱体铸件，如变速箱体、变矩器及离合器壳体等。当时，国内已有数家企业引进国外消失模铸造设备，其中有的因模具国产化成为瓶颈，生产状况不尽人意。如今三年有余，合力集团LFC 生产形势很好，开发出十多套模具（其中箱体类模具六套），完全具备了模具设计、制造和开发能力。本文从技术上对合力集团所实施的模具国产化的三个阶段进行总结。第一阶段：设备引进和模具培训同步进行1998年，合力集团引进德国TEUBERT公司TVZ130/90成型机。该设备为全自动卧式成型机，垂直开模，吸盘取件；该设备采用德国发泡成型模具，生产出叉车液力变速箱体泡沫模样（模片分为三块）。所生产的箱体铸件重达0多公斤。在引进设备的同时，合力集团领导意识到：要扩大LFC生产规模，就必须迅速实现模具国产化。因此，在与德方商务谈判中，中方坚持将模具培训列入合同。因为引进的德国成型机和冷粘合机在国内都是第一台，针对德国设备的发泡模具设计，国内没有设计参考资料。为更好地消化吸收德国技术，合力集团邀请华科大参与组团，赴德考察模具设计和制造。三人在德培训十天，考察的主要收获如下：1 接受了多模独立汽室的设计概念，摸清了模具与设备的相互连接匹配关系。所谓独立汽室机构指在一台成型机上可同时安装数付模具，而每付模具的汽室相互独立，可按各自的成型工艺制作不同的泡沫产品。德国成型机工作面尺寸大（1300X900），可采用多模独立汽室模具。为此，该设备配备有套物流接头，提供蒸汽、冷却水、压缩空气以及真空等，以便在成型机上安装四套发泡模具。独立汽室模具机构的设计概念是德国设备所独有的；2 掌握了模具型腔分块设计原理，考察了几种抽芯结构；3 亲眼所见三维设计和Internet在模具设计和制造中的应用。第二阶段：依托学校，共同探索模具国产化模具培训解决了设计理念，若要实现模具国产化，还有许多技术难关要攻克。为积累经验，少走弯路，由华科大率先承担两个产品的模具设计制造任务：叉车变矩器壳体（32kg）和离合器壳体（20kg）。两副模具的设计和制造均在校方进行，合力集团曾多次派技术人员到校进行考察研讨。双方人员参与模具调试的全过程，经过反复试验和修改模具，铸件产品透过验收。 变矩器和离合器壳体的试制成功，获得了宝贵的第一手资料，为今后设计和制造其它箱体类模具提供了经验。于是合力集团于1999年组建消失模模具设计室，边学习三维UG软件，边开始多副模具设计。1999至2001年间，集团开发了十多副发泡模具，其中完成了两副较复杂的箱体发泡模具：一件是汽车齿轮箱壳体铸件（重36kg）。另一件是机械变速箱体铸件（68）。多副箱体的模具从设计到制造直到投入生产，使双方技术人员消化掌握了设计要领和制造细节。在这第二阶段，技术上的主要收获如下： 1 掌握了以二维设计为主，以三维设计为辅的设计路线：即先完成模具的二维装配设计，再对要数控的模具型腔面进行三维设计；2 体会了发泡模具以及成型工艺对泡沫产品质量之间的影响，掌握了卧式成型机的各种流体通道（如蒸汽管、压缩空气管、冷却水管、真空以及排污管等）的合理布置原则；3 掌握了几种抽芯（外抽芯、内抽芯和斜抽芯等）的设计技巧和制造技能；4 积累了对薄壳随形深腔模块的数控加工经验。合力集团工具车间，为了验证数控加工编程的正确性，曾多次在蜡坯上进行检测，锻炼了模具数控加工的编程能力。5 对模具设计和制造进行了系统总结，结合其它类型的模具设计经验，为中国模具设计大典第五卷编写?quot;消失模铸造工艺装备设计章节（该书2002年底出版）。第三阶段：提高设计水平，加快制造进度，降低模具成本合力集团除了与华科大合作，攻克模具难关外，还同清华大学合作（开发工艺软件）；同合肥工大合作（实施涂料国产化），不断完善丰富消失模铸造，使铸造技术的水平和铸件质量不断与国际接轨，2000年，变速箱体铸件获第五届中国国际铸造及锻压展览会展品一等奖。2001年消失模铸件的质量受到美国外商青睐，要求与集团签订长期合同，提供拖拉机3058变速箱体和箱盖铸件。 3058箱体铸件重75kg，轮廓尺寸490340440mm，其内部结构分为三个互相连通的腔室。该箱体是用三维设计完成的最新式样，铸造难度系数高，据称国内还没有如此复杂的砂型箱体铸件。其泡沫模样无论如何都需分解为四段泡沫模片。 外商要求个月内提供产品样品，而且提供的模具费并不高。为迎接挑战，集团和华科大共担风险，大胆承接了外商合同。由校方承担箱体模具，公司承担箱盖模具。尽管我们掌握了消失模模具设计和制造技术，但设计周期较长，模具投资过大等问题影响消失模铸造上品种上效益。为真正适应市场挑战，必须提高设计水平，加快制造进度，同时采取措施，降低模具成本，为此，校方和集团在3058模具设计和制造上进行了积极探索：1)采用以三维设计为主、二维设计为辅的设计路线，加快设计进度。2) 充分利用网络手段，进行电子文档传递。华科大、合力集团及美方公司三者直接在网络上交流设计资料、讨论问题，修改方案。使设计中遇到的问题得到及时解决。在模具制造阶段，我们同浙江模具公司实现网上互传CAD文件，保证了加工进度。3)与浙江象山铸模专业制造厂合作，充分利用专业制造厂的CN加工能力和制造效率。内地模具厂需半年以上才能完成加工任务，在浙江模具厂竞40天内完成。在保证质量的前提下，我们还对如何降低模具造价进行了积极探索：a)用优质铝合金铸造毛坯取代锻铝模块；b)用国产汽缸代替德国汽缸；c)将所进口零配件（除水管快速接头外）采用国产代用品。 由于采取了提高设计水平，加快制造进度，降低模具成本等措施,圆满完成了模具调试任务。生产出复合美方要求的泡沫模样和铸件。铸件的表面粗糙度达到Ra12.5um,尺寸精度达到CT级。如今，每月发往美国的箱体箱盖铸件套。该箱体全套模具的复杂程度（共有九处抽芯4）超过了德国模具，铸件也代表了合力集团LFC的最高水平。高速切削将成为新工艺切削加工作为制造技术的主要基础工艺，随着制造技术的发展，在 20世纪末也取得了很大的进步，进入了以发展高速切削、开发新的切削工艺和加工方法、提供成套技术为特征的发展新阶段。它是制造业中重要工业部门，如汽车工业、航空航天工业、能源工业、军事工业和新兴的模具工业、电子工业等部门主要的加工技术，也是这些工业部门迅速发展的重要因素。因此，在制造业发达的美、德、日等国家保持着快速发展的势头。金属切削刀具作为数控机床必不可少的配套工艺装备，在数控加工技术的带动下，进入了数控刀 具的发展阶段，显示出三高一专(即高效率、高精度、高可靠性和专用化)的特点。 显而易见，在21世纪初，尽管近净成形技术、堆积成形技术是非常有前途的新工艺，但切削加工作为制造技术主要基础工艺的地位不会改变。从当前制造业发展的趋势中可以看到，制造业发展和人类社会进步对切削加工提出的双重挑战，这也是21世纪初切削加工技术发展的主要趋势。高速切削将成为新工艺 当前以高速切削为代表的干切削、硬切削等新的切削工艺已经显示很多的优点和强大的生命力，成为制造技术提高加工效率和质量、降低成本的主要途径。 因此，发展高速切削等新的切削工艺促进制造技术的发展是现代切削技术面临的新任务。当代的高速切削不是切削速度的少量提高，是需要在制造技术全面进步和进一步创新的基础上，包括数控机床、刀具材料、涂层、刀具结构等技术的重大进步，才能达到的切削速度和进给速度的成倍提高，才能使制造业整体切削加工效率有显著的提高。把当前的高速切削水平实用化，使我国机加工整体切削效率提高12倍，缩小与工业发达国家的差距，是我国从事切削加工与刀具技术的专业人员在新世纪的努力目标和面临的重大挑战。 硬切削是高速切削技术的一个应用领域，即用单刃或多刃刀具加工淬硬零件，它比传统的磨削加工有效率高、柔性好、工艺简单、投资少等优点，已在一些应用领域产生较好的效果。在汽车业，用CBN刀具加工20CrMo5淬硬齿轮(60HRC)内孔，代替磨削，表面粗糙度可达0 .22m，已成为国内外汽车行业推广的新工艺。 创新加工技术 长期以来，难加工材料如奥氏体不锈钢、高锰钢、淬硬钢、复合材料、耐磨铸铁等一直是切削加工中的难题，切削效率低，刀具寿命短。随着制造业的发展，在21世纪这些材料的用量将迅速增加，加工的矛盾将更加突出。与此同时，产品的材料构成将不断优化，新的工程材料也不断问世，而每一种新型材料的采用都对切削加工提出了新的要求。如 在切削加工比较集中的汽车工业，其发动机、传动器零件中的硅铝合金的比例在持续增加，并开始引入镁合金和新的高强度铸铁，以减轻汽车的重量和节省能耗。又如在航空航天工业，钛合金、镍基合金以及超耐热合金、陶瓷等难加工材料的应用比例和加工难度也都将进一步增加。能否高效加工这些材料，直接关系到我国汽车、航空航天、能源等重要工业部门的发展速度和制造业的整体水平，是对切削技术的最大挑战。我们必须从现在开始探索，以从根本上解决难加工材料大量使用及其品种性能多样化带来的世纪性难题，创新加工技术，开发包括激光在内的新的刀刃和加工方法。 满足制造业的需求 进入21世纪以后，产品多样化和个性化的趋势进一步加剧，制造业的产品更新速度会大大加快。每一种新产品的开发都意味着零件功能、结构、材料的重大变更，也是对切削加工提出的开发任务，就像大家熟知的如螺杆泵、等速万向节、底径定心的花键、电子工业印刷线路板等产品，无不反映着切削技术和刀具的成果。今后随着产品更新速度的加 快，将构成对切削加工新的挑战。不仅如此，当前利用切削加工的柔性及现代切削加工和刀具技术的成果，革新零件加工方法，显示出投入少、产出大、见效快的特点。正如在上世纪九十年代新建的轿车发动机、传动器生产线上所集中展示的那样：缸体孔系的整体硬质合金钻削工艺、缸盖的金刚石高速铣削工艺、同步器齿轮的筒式拉削工艺等新的加工工艺，使新建生产线的生产节拍时间缩短、产品质量提高，投资大量减少，充分显示出切削加工的巨大潜力。在这种背景下，制造业对切削加工新技术、新产品的需求在现在将达到空前的高度，这既是对切削技术的挑战，也是对我国切削行业陈旧体制的挑战工程机械行业CAD软件选型分析CAD技术是产品创新设计的重要工具和核心技术，也是企业信息化工程的切入点。本文介绍各种CAD软件特点和技术现状，并对工程机械行业CAD软件的选型进行分析。产品对CAD软件功能的需求不同企业因产品结构，生产方式和组织管理形式不同，对CAD软件的功能有不同需求。从大多数企业和CAD应用情况来看，对CAD软件的功能大致有如上需求：（1）计算机二维绘图功能。“甩掉图板”把科技人员从繁琐的手工绘图中解放出来，是CAD应用工程的主要目标，也是CAD技术的最基本功能。（2）计算机辅助工艺设计（CAPP）功能，生产工艺是企业从设计到加工的桥梁，CAPP软件应具有工艺设计，工艺设计任务管理，材料定额管量等功能，实现工艺过程标准化，保证获得高质量的工艺规程，提高企业工艺编制的效率和标准化。（3）三维设计，装配设计，曲面设计，钣金设计，有限元设计，机构运动仿真，注塑分析，数控加工等三维CAD/CAM功能，可以解决企业的三维设计，虚拟设计与装配，机构运动分析，应力应变分析，钣金件的展开和排样等困难，使企业走向真正的CAD设计。（4）产品数据管理PDM。复杂产品的设计和开发，不仅要考虑产品设计开发结果，而且必须考虑产品设计开发过程的管量与控制，管量产品生命周期的所有数据（包括图纸技术文档）以及产品开发的工艺过程，使CAD、CAPP、CAM等系统实现的数据共享，使产品设计工作规范化保持一致性，保证图纸，工艺卡，加工代码，技术资料等的安全性。（5）企业的应用软件。企业在引进二维/三维CAD/CAPP/CAE/CAM/PDM的基础上，针对本企业的技术特征所进行的二次开发，如汉化，厂标，行业标库建设，图库的扩充等等。根据本企业产品的特点，建立分析，仿真优化，成本分析等专用或专业CAD系统，并和引进和CAD系统集成，形成本企业的CAD系统。使设计初期，就呆以了解产品的结构特点和性能，并利用理论设计，经验设计和专家系统等人工智能技术，将设计缺陷消除在初始阶段，使CAD设计源于传统设计又高于传统设计，并最终走向智能设计。市场上流行的CAD系统技术特点CAD软件大致可分为高端UNIX工作站CAD系统，中端Windows微机CAD系统和低端二维微机CAD系统等三类。1、高端UINX工作站CAD系统这类系统的特点是，UNIX操作系统为支撑平台，从50年代发展至今，产生了许多著名的软件，也使许多曾经显赫一时的软件在况争中落伍，有的被兼并改组，如Appilcon,CADAM,intergraph等。目前，这类系统中比较流行的有：（1）PTC公司的Pro/Engineer软件采用参数建军模技术，以单一数据库和参数化，基于特征，全相关联为特征。最新推出的Pro/Engineer2000i采用目标驱动设计工具，行为建模和范例套用技术，提高设计性能。（2）SDRC公司的I-DEAS软件。I-DESMaster Series 软件的建模方法基于特片的实体建模技术，以实体造型和并行相关性为特征。（3）EDS公司的UGH软件。建模方法为混合建模。汽车行业建模造型。设计分析，加工制造等方面有一定的特色。UGH软件的哟项是，应用集成，CAM和曲面。 （4）CV公司的CADDS5软件。采用混合建模，提供参数造型，全套工程分析，曲面，并行装配等强大的功能，统一数据库，图形界面，其强项为：企业产品数据管理和并行装配模形应用。 （5）以色列Cimatron公司的CIMATRON软件。可提供优良的三维造型，工程绘图，数控加工，以及集成化的PDM，其强项是CAM。 （6）Matra Datavision公司的Euclid3软件。采用混合建模方法，曲成设计造型和数控加工编程等功能强大。其强项为详细设计和CAM。 （7）IBM/Dassualt公司的CATIA软件，采用混合建模方法 ，其强项为应用集成和CAM。 （8）日立造船情报系统株式会实社的GRADE/CUBE-NC软件。有突出的特点是面向制造，具有丰富的实用化曲面造型和加工编程。 2 、中端微机的CAD系统 随着计算机技术的发展，尤其是微机的性能和Windows技术的发展，已使微机具备了中低档UNIX工作站的竞争的实力，也使基于Windows技术的微机CAD系统迅速发展。目前，国际上最流行的有Solidworks公司的Solidworks软件，UG公司的SolidEdge软件和Autodesk公司的MDT软件等，国内也推出清华CAD工程中心的GEMS，浙大大天公司的GSMASD，北京巨龙腾公司的龙腾CAD，北京爱宜特公司的Micro Solid、江苏杰必克超人CAD/CAM以及华正公司的CAXA-ME。（1）Solidworks 98软件。包含状配设计建模，零件设计建模，工程图与钣金等模块，还与高级图像渲染软件Photoworks,高级有限元分析软件Cosmos、机构运动学分析软件Motionworks,产品数据管理（PDM）软件SmarTeam，以及数控加工等著名和分析软件无缝集成。Solidworks和FeatureWorks技术，解决了不同CAD系统间在转化模型时无法识别特征的给题。Solidworks还首假创和自上而下的全相关设计，并凭借高效运行的装配设计使之成为实作技术。 （2）Solid Edge6.0软件。采用Parasolid造型内核和STREAM技术，基于Windows操作系统，以及完全与Microsoft产品相兼容的叁数化三维实体造型系统，提供了实体造型，钣金，制图，装配，塑料模具和铸造设计，产品渲染和文档管量等功能，并能和COSMOS、IPA、Smar Edge无缝集成。 （3）Meshanical Desktop(MDT)3.0软件。采用ACIS4.2几何造型核 心系统，提筮基于特征为参数化实体造型，曲面造型，装配，相关联的绘图和草图功能，并包含了完整的Auto CAD绘图工具集，与Auto CAD完全融为一体。 （4）国产的三维CAD软件中，Microsolid采用ACIS作为系统的内核，GEMS、GS-MCAF、龙腾，超人CAD/CAM三维系统是侧重于面向加工的曲面造型系统。 3 、低端CAD系统二维CAD系统 （1）AutoCAD软件。纯二维CAD系统在国外已经不多，真正有名的是Autodesk公司的AutoCAD软件。AutoCAD R14提供一套丰富的设计工具，嵌入的Internet技术和具有创新性的Objict ARX、Autolisp及VBA编程语言能够帮助开发人员和用户按他们的特定需求控制软件。AutoCAD2000则提供了更为轻松的设计环境，提高了数据访问能力，软件适用性以及更强的定制和开发能力，扩展Internet系统设计信息的沟通，提高文件输出/输入、编辑/对象捕捉和制图的速度，可对多个图形文件同时进行操作，支持多任务设计环境（MDE），还提供部分条开的功能。 （2）国产二维CAD软件，目前流行的二维CAD软件是自主开发平台和自主版的二维CAD系统，如开目CAD，如高华CAD，凯达BCAD，浙大ZDDS，中科院 PICAD和华正CAXA电子图版等等。另一类是以AutoCAD为平台的二维CAD系统，如利玛CAD，大恒CAD等。 国产CAD二维软件在参数化绘图，动态导航，明细表BOM等三表生成，公差标准，机械零件设计标准件图库存和工程图纸管量等方面有较强的特色。 CAD技术的发展趋势 CAD技术的完善和发展，主要表现在以下几个方面： （1）建模技术。由线框模形，实体模型和非均匀有理B样条算法为特征，几建模已发展到参数化，变量化和特征化，变量化和特征建模，以及未来的面向产品生命周期，实现产品生命周期中内部描述信息（产品设计，计划，制造，加工，装配，检验等信息）和外部过程的集成为特片的产品建模技术。 参数驱动，特征造型，动态导航，二/三维双向相关，STEP标准和动态图形显示等UNIX系统的精华已被 充分吸收到新一代微机CAD系统中，而特征树是近年来在CAD软件中引入的一项非常有效的技术。面向产品生命周期的关系型产品模型技术的研究正在不断提高。 （2）软件组件技术。可以提高软件的稳定性和开发效率。Solidworks,Solidege均采用Parasolid几何造型器，MDT，Microsolid均采用ACIS几何造型器等。 （3）Windows技术和Internet技术。许多公司，如Autodesk正将其软件技术的研究开发重心集中于正在蓬勃发展的三大技术领域：对象技术，三维技术和Internet技术，这些核心技术主导着全球设计工业的发展趋向。 （4）智能CAD技术，智能技术在CAD系统中将占有重要地位，将专家系统。智能工程等技术，借助领域专家的设计经验，不断积累和更新，形成企业产品设计知识库，是企业开发产品的宝贵资源。 工程机械行业CAD软件的选型 经过多年的努力，工程机械行业在CAD技术应用方面已取得了不少成果。对于三维CAD软件，世界上最著名的几家公司产品，如Pro/Engineer、UGII、I-DEAS、Solidworks、MDT等，在主要工程机械企业中都已采用。但专业CAD方面软件较少，除“七五”期间天津工程机械研究所承担一的国家科技攻关项目“轮式装载机CAD系统”之外，同济大学，吉林工业大学也开发了部分工程机械软件。目前，WLCAD系统已成功地移植到Windows环境，正在推广应用。激光快速成形技术最新发展及应用激光快速成形（Laser Rapid Prototyping：LRP）是将CAD、CAM、CNC、激光、精密伺服驱动和新材料等先进技术集成的一种全新制造技术。与传统制造方法相比具有：原型的复制性、互换性高；制造工艺与制造原型的几何形状无关；加工周期短、成本低，一般制造费用降低50%，加工周期缩短70%以上；高度技术集成，实现设计制造一体化。 近期发展的LPR主要有：立体光造型(SLA) 技术；选择性激光烧结(SLS) 技术；激光熔覆成形（LCF）技术；激光近形（LENS）技术；激光薄片叠层制造(LOM) 技术；激光诱发热应力成形（LF）技术及三维印刷技术等。 立体光造形(SLA)技术 SLA技术又称光固化快速成形技术，其原理是计算机控制激光束对光敏树脂为原料的表面进行逐点扫描