基于虛擬樣機技術(shù)的真空塔結(jié)構(gòu)設(shè)計與強度校核
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- 基于虛擬樣機技術(shù)的真空塔結(jié)構(gòu)設(shè)計與強度校核第一章 引言
1.1 課題研究目的和意義
在化工工業(yè)里，一些沸點高的熱敏性有機化合物在進行精餾分離時，在常壓下還沒有達到沸點時就分解了，不僅使精餾過程失敗，而且還會造成不必要的資源浪費，所以就必須減壓精餾。而在真空狀態(tài)下，物質(zhì)的沸點會下降，進而可以完成精餾分離，這就是真空塔產(chǎn)生并應(yīng)用于工業(yè)上的原因。隨著工業(yè)的快速發(fā)展，應(yīng)用于工業(yè)上的真空塔裝置也需要越來越高的品質(zhì)用以輔助工業(yè)生產(chǎn)，所以，對于真空塔裝置的設(shè)計和生產(chǎn)也變得越來越重要。而對于真空塔的開發(fā)，傳統(tǒng)的設(shè)計方法是花費很多時間與費用來生產(chǎn)制造出一批真空塔產(chǎn)品模型（稱之為物理樣機），然后進行實驗分析，需要分析產(chǎn)品的功能、性能、可靠度、經(jīng)濟性等，而這些工作往往是不同部門來完成的，對物理樣機進行分析的部門往往迫切地希望能對產(chǎn)品中存在的問題快速、準(zhǔn)確的做出修改，以便能讓產(chǎn)品順利的進入下一部門測試，然而，這種愿景往往是不太可能的，如何在保證產(chǎn)品質(zhì)量和性能的同時，還能縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期、節(jié)約研發(fā)人力與物力，已然成為了困擾企業(yè)的最大難題，在急需解決這類問題的背景下，虛擬樣機技術(shù)的出現(xiàn)，為攻克這一難題提供了新的思路與方法[1]。
1.2 虛擬樣機技術(shù)
1.2.1 虛擬樣機技術(shù)的功能和特點
虛擬樣機技術(shù)（Virtual Prototyping Technology，VPT）是計算機技術(shù)高速發(fā)展并結(jié)合相關(guān)工程領(lǐng)域發(fā)展需求產(chǎn)生的一種全新的技術(shù)方法。集成了包括CAD/CAE/CAM、計算機輔助建模仿真以及虛擬現(xiàn)實技術(shù)等先進計算機輔助工程技術(shù)[2-3]。VPT 的出現(xiàn)革命性的改變了機械產(chǎn)品的設(shè)計方法和流程，減少或摒棄了物理樣機的研制，基于相關(guān)理論和數(shù)據(jù)，以并行設(shè)計代替串行設(shè)計，從設(shè)計之初就從產(chǎn)品的整個生命周期出發(fā)，通過對數(shù)字樣機無數(shù)次的修改、分析、仿真、優(yōu)化等，進而提高產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量。虛擬樣機技術(shù)與傳統(tǒng)設(shè)計相比的優(yōu)勢有以下幾點：
1.縮短研發(fā)周期、降低生產(chǎn)成本。企業(yè)是以營利為目的，因此在縮短研發(fā)周期的同時，生產(chǎn)成本的高低，則直接決定著企業(yè)利潤的多少。
2.增強用戶與企業(yè)之間交流。顧名思義，虛擬樣機提供的環(huán)境一定是虛擬的，這樣用戶不僅可以直接參與設(shè)計的過程，監(jiān)督設(shè)計的進度，還可以在產(chǎn)品的設(shè)計過程中提出新的要求，這是傳統(tǒng)設(shè)計所遠不能及的。
3.有效的協(xié)同設(shè)計。傳統(tǒng)設(shè)計方法往往是現(xiàn)有設(shè)計，在設(shè)計的基礎(chǔ)上再進行性能的評估。這樣一旦產(chǎn)品不合理，往往需要重新設(shè)計。而虛擬樣機技術(shù)避免了這樣的問題，設(shè)計人員與測試人員可以同時對虛擬樣機進行修改，大大提高了設(shè)計質(zhì)量。
4.多方案的提出。虛擬樣機技術(shù)可以在基本滿足設(shè)計需求的同時，為用戶提供更多種的選擇方案。
1.2.2虛擬樣機技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r
作為一項先進制造技術(shù)，虛擬樣機技術(shù)自產(chǎn)生之初就受到了全球制造企業(yè)的重視，通過近20多年的不斷發(fā)展，已經(jīng)成功在多個制造領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，并不斷推動著現(xiàn)代制造技術(shù)的高速發(fā)展[4-5]。虛擬樣機技術(shù)最成功的應(yīng)用案例莫過于美國波音飛機公司的777飛機，該飛機是世界上首架在虛擬環(huán)境下，以無圖紙方式研發(fā)生產(chǎn)的，通過引進虛擬樣機技術(shù)，實現(xiàn)了最終產(chǎn)品的一次裝配成功。大大降低了 777 飛機的研發(fā)成本和研發(fā)周期，同時提高了飛機的整體性能（陳國文，2010）。同樣在全世界范圍內(nèi)大力推廣和應(yīng)用虛擬樣機技術(shù)的科研院所和知名企業(yè)數(shù)不勝數(shù)。其中包括了美國航天局（NASA）、空中客車、通用汽車、龐巴迪機車、西門子、摩托羅拉、卡特彼勒等。虛擬樣機技術(shù)在美國、德國、日本等制造業(yè)發(fā)達國家已經(jīng)得到了非常廣泛的應(yīng)用，涉及的產(chǎn)品由簡單的自行車到龐大的飛機，應(yīng)用的深度從簡單的靜力學(xué)分析到全系統(tǒng)的全面仿真（Mc Intosh,2006）。
隨著VPT在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用越來越廣泛，相應(yīng)的VPT 軟件也層出不窮，應(yīng)用比較廣泛的包括 PTC 公司的 Pro/E、達索公司的Solidworks 和CATIA、西門子公司的 UG NX、MDI公司的 ADAMS 等軟件，其中美國機械動力公司（Mechanical Dynamics Inc.）的ADAMS 在相關(guān)市場的占有率超過百分之五十。
虛擬樣機技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展也在不斷展開，虛擬樣機技術(shù)在國內(nèi)最早被用于軍事和航空航天領(lǐng)域，后來對虛擬樣機的應(yīng)用研究不斷擴大，但主要集中在一些大學(xué)、科研院所和大型的制造企業(yè)，在很多具體機械產(chǎn)品的設(shè)計制造中發(fā)揮了巨大的作用。比較著名的成功案例包括：中國航天機電集團第二研究院聯(lián)合清華大學(xué)和北京航空航天大學(xué)進行了在復(fù)雜環(huán)境下多任務(wù)虛擬試驗系統(tǒng)的研究與開發(fā)工作；山西經(jīng)緯紡機股份有限公司通過和清華大學(xué)國家CIMS 工程技術(shù)研究中心聯(lián)合以高速劍桿織機為主要研究對象，有針對性的提出了一整套的 CAD\CAM 整機裝配的解決方案并實現(xiàn)了相應(yīng)的虛擬化、軟件化的工作，很大程度上提高了企業(yè)的研發(fā)效率，為其主要產(chǎn)品的市場化進程奠定堅實基礎(chǔ)；武漢理工大學(xué)針對船用起重機在工作工程中的不同階段，結(jié)合各階段不同的性能參數(shù)，通過 VPT對船用起重機進行了可視化仿真，并在此基礎(chǔ)上完成了對主要參數(shù)的分析優(yōu)化工作[6-7]。
雖然應(yīng)用的范圍在不斷擴大，但是相比于發(fā)達國家，國內(nèi)的虛擬樣機技術(shù)應(yīng)用研究仍然處于落后的局面，主要體現(xiàn)在：應(yīng)用的范圍和針對的產(chǎn)品非常有限；對虛擬樣機的研究大多集中在復(fù)雜產(chǎn)品的開發(fā)上，而此類產(chǎn)品在技術(shù)和結(jié)構(gòu)上非常復(fù)雜，開發(fā)難度非常大；相關(guān)產(chǎn)品的技術(shù)落后導(dǎo)致產(chǎn)品的更新?lián)Q代非常緩慢；另外虛擬樣機技術(shù)軟件平臺上，很多領(lǐng)域的國產(chǎn)軟件要么功能單一無法滿足設(shè)計要求，要么只能依賴國外軟件公司的產(chǎn)品。以上這些因素很大程度的限制了虛擬樣機技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展。...
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