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2020 - 11 - 25
作者:王晨希  上海安世亚太高频电磁高级技术专家本文共计2216字,阅读时间预计7分钟编者按作者分析了美国空军一号抵御核爆的秘密,包括如何抵御冲击波、核辐射以及电磁脉冲。在抵御电磁脉冲上,美国空军一号用了三层保护机制,可见对飞机这种精密电子飞行器杀伤力更大的当属电磁脉冲。大名鼎鼎的美国空军一号,美国总统的专属座机,被誉为世界上最安全的飞机。这架不同于任何传统客机的总统专机,拥有世界上最顶...
2020 - 10 - 21
作者:陈康 上海交通大学本文共计3111字,阅读时间预计10分钟编者按作者介绍了壁膜现象、欧拉壁膜模型与部分浸润效应的内在机理,并依此建模进行案例测试分析,以此探索不同壁膜接触角下与质量通量下壁膜形态演变规律的差异,希望可以启发更多的思考探索。介绍壁膜广泛存在于日常生活中,并且在工业生产中也扮演重要角色,如汽车车窗的除雾、冰箱设计、食品冷藏技术中冷凝壁膜的杀菌等应用。壁膜是由液滴撞击到固体壁面上形...
2020 - 10 - 13
作者:吴华春 上海安世亚太结构应用工程师本文共计1559字,阅读时间预计5分钟编者按在ANSYS LS-DYNA中,经常遇到Sliding Energy异常,作者在本文中分析了计算模型常出现的2种情况——初始穿透导致的Sliding Energy异常和由于SEGMENT接触导致的Sliding Energy异常,并给出了对应的解决方法。问题提出负的滑移能存在2种情况:■ 第一种情况:GLSTAT中...
2020 - 09 - 26
翻译:赵亚  上海安世亚太流体应用工程师本文共计1320字,阅读时间预计5分钟编者按上周我们谈到多相流的分类及仿真方法,如果大家记忆有些模糊的话,点此链接来回忆上篇内容吧!接下来作者会进行案例分析和行业解决方案解析,展示ANSYS在多相流仿真领域的运用。多相流仿真展望即使当今多相流仿真功能已经十分强大,但是工程师仍在努力推进多相流仿真的边界。他们将融入并模拟更多的物理模型:物化反应、运动...
2020 - 09 - 23
翻译:赵亚  上海安世亚太流体应用工程师本文共计1785字,阅读时间预计6分钟编者按作者分析了多相流的分类、仿真方法及未来发展方向,深入剖析了真实的产品案例和行业解决方案,并提出ANSYS仿真工具可以快速、高效地解决产品设计在多相流仿真中遇到的挑战,为企业的产品设计和生产节约成本。无论是设计高超声速运载工具的除冰系统、进行血液酶测试,还是输送和熔化稀有金属粉末化合物以进行增材制造,或是为...
2020 - 09 - 16
作者:陈诗佳  上海交通大学-巴黎高科卓越工程师学院谢文丽  上海安世亚太流体应用工程师本文共计1755字,阅读时间预计6分钟编者按作者使用Flownex对垃圾处理中心通风系统的局部管线进行模拟,对敞开式处理车间和封闭罐装设备的环境通风系统做出整体评估,并提出改进建议,同时对管线上的风机选型提出明确要求。研究目的随着国内环境三废处理规范要求越来越明细化,各种环保处理工...

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产品设计制造必不可少的环节——尺寸链计算与公差分析
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产品设计制造必不可少的环节——尺寸链计算与公差分析

介绍

前 言


随着时代的发展,技术的进步,客户对产品的性能要求越来越高,对外观的要求也越来越高,这也对厂家提出了更高的挑战。尺寸链计算与公差分析是连接产品设计和生产加工的桥梁和纽带,合理的公差设计,对于保证产品性能,外观质量,装配方便性都至关重要。


“尺寸链计算与公差分析”的必要性


机械设计包括三大部分:结构设计、参数设计、尺寸链计算(公差设计)。统计资料表明,虽然产品的设计开发在产品总成本中只占5%,但是产品总成本的70%却是在设计开发阶段内确定的,这里面65%以上成本是由公差决定的。产品质量差、性能价格比低、交货周期长以及创新能力弱是我国机械产品在市场竞争中落败的主要因素。而机械产品质量差很大程度上直接反映为产品制造精度或配合精度的低下,同时产品精度设计的好坏也直接影响产品的性能价格比。我国制造业企业的产品精度现状可以说是“该高的不高、该低的不低”,一直是影响产品市场竞争力的薄弱环节。为了提高产品精度,许多企业冒着巨大的投资风险,以高额资金引进高精设备,结果却利用率不高、成本大幅增长,甚至被巨额债务拖跨。而反观先进国家企业,设备并不一定比我们先进,但生产出来的产品往往比我们的产品精度要高、质量要好。


因此,低投入高效益的解决之道方是我国优先发展和推广的明智之举。仔细分析我国机械产品精度“技不如人”的根源,不难看出除了加工工艺与设备落后之外,精度设计与控制技术的落后也是重要原因。精度设计与控制技术归根结底就利用尺寸链计算原理合理的、经济的、高效的分配各个零件的制造、装配公差,真正实现产品的高质量、低成本、大批量生产。目前有些企业有一种错误的观点:认为“精度要求不高”,零部件的公差直接采用经验和设备即可保证产品装配,不需要采用尺寸链计算。实际上产品装配中干涉、性能、成本、质量等问题的解决都离不开尺寸链计算,应该说离开尺寸链计算的机械产品设计不是真正的产品设计,至少是不全面的产品设计。

 

图1是不同企业的两款车型,从图中我们可以直观看到左边车型的间隙、面差大且不均匀,产品质量完全不一样(价格当然也相差很大)。究其原因,左边车型的公差设计和控制存在严重的不足,缺少必要的尺寸链的计算和分析。


产品设计制造必不可少的环节——尺寸链计算与公差分析

图1


图2是某大型发动机局部装配图,由于发动机尺寸比较大,各零部件的公差相对较大,通过结构分析,产品完全能顺利装配。而在实际生产装配过程中,发现进气管、增压器通过连接管安装时非常困难(需要用锤子敲打才能装配成功)。该结构通过尺寸链的计算分析发现在X、Y、Z三个方向的误差值都远远超过连接管允许的变形量,通过对有关零部件公差进行调整,该结构实现了顺利装配。


产品设计制造必不可少的环节——尺寸链计算与公差分析

图2


在美国,尺寸链计算(公差设计、分析)已上升到国家层面,在1999年编制的《2010年及其后的美国国防制造工业》报告中明确指出:“许多国防系统都需要精密的公差,例如:采用模块化设计的系统(如现代喷气式发动机、潜艇、舰艇、航空电子元器件与装置、飞机、枪炮和地面车辆),模块化开发比非模块化开发更需要严格的配合和公差控制,必须明确、准确地定义制造工艺过程能力和装配顺序,以决定与模块化开发有关的累积尺寸公差。通过预计变化的详细设计,必须在设计阶段早期对模块或装配零部件之间累积公差做出评估。”同时,该报告中还明确地将“尺寸链计算”列入国防制造工业能力的需求,作为今后制造业发展的核心内容。


   近几年来,国内对尺寸链计算和公差分析也逐渐重视起来,无论是产品的设计、制造,还是性能和质量参数分析中,尺寸链计算与公差分析都得到了广泛应用,尤其是汽车、军工等各类大型企业,已经将尺寸链计算与公差分析作为其产品设计制造必不可少的重要环节之一,他们的成功也正是由于在这些重要环节下足了功夫。我们认为未来国家一定会强化公差设计,因为通过尺寸链计算,在设计阶段就能把相关的结构,尺寸问题暴露出来,从而提前解决很多问题。


“尺寸链计算与公差分析”的目的


企业可能会经常遇到以下困惑:

1、设计的产品,无法生产加工;

2、生产加工出的产品,无法满足客户或设计要求;

3、产品成本久高不下;

4、产品设计周期经常延期;

   ……….


导致以上困惑的重要原因之一是:产品设计者和生产加工者对零部件的精度要求存在某种矛盾,一方面,为了满足客户或质量要求,设计时需要提高零件的精度;另一方面,为了降低零件加工难道,生产加工时需要降低零部件精度。


尺寸链计算与公差分析正是为企业解决产品性能、质量问题,降低企业生产成本的有力工具。通过对产品进行尺寸链计算与公差分析,可以设计出合理的产品尺寸及公差,可以帮助企业实现以下目的:


1、 合理设定零件的公差以减少零件的制造成本。

2、 判断零件的可装配性,判断零件是否在装配过程中发生干涉。

3、 判断零件装配后产品关键尺寸是否满足外观、质量以及功能等要求。

4、 在开发阶段就仿真出来生产合格率,对产品进行风险评估及预防。

5、对于批量生产、装配的产品,解决产品的互换性问题。

6、优化产品的设计,这是公差分析非常重要的一个目的。当通过公差分析发现产品设计不满足要求时,一般有两种方法来解决问题。其一是通过精密的零件公差来达到要求,但这会增加零件的制造成本;其二是通过优化产品的设计(例如,增加装配定位特征)来满足产品设计要求,这是最好的方法,也是公差分析的意义所在。

6、 公差分析除了用于产品设计中,还可用于产品装配完成后,当产品的装配尺寸不符合要求时,可以通过公差分析来分析制造和装配过程中出现的问题,寻找问题的根本原因。

7、在设计阶段进行尺寸公差分析,可以从根本上解决开发设计过程中的尺寸问题,最大程度地优化零部件、工装的公差分配,协调各相关部门和供应商对产品的尺寸质量进行系统科学的管理、优化和改进,及时整改设计和工艺,提高单件或总成的尺寸质量,减少生产线调试阶段的零部件公差匹配时间,减少后期的被动设计变更,降低成本,同时加快产品投向市场的速度。


“尺寸链计算与公差分析”的应用


伴随着生活品质的提高,人们对各类产品的质量要求也越来越高,例如:手机、电脑、空调、汽车等等,那么高质量要求也随之带来了更激烈的产品竞争。


下面是“DCC尺寸链计算与公差分析”软件的两个应用案例:


一、DCC在新能源充电设备上的应用

充电桩是具有人机交互作用的交直流输出电气设备 ,分为直流快充和交流慢充,充电桩通过充电枪和车载充电机接口连接为汽车提供电能。充电枪是非常重要的一个部件,他是充电桩和车载充电机连接的桥梁。如果公差设计不合理就会导致安装困难或精度达不到要求等问题,影响汽车充电。下面是充电枪关键尺寸链校核案例:


·  充电枪结构简图及问题

产品设计制造必不可少的环节——尺寸链计算与公差分析


· 尺寸连图

产品设计制造必不可少的环节——尺寸链计算与公差分析

产品设计制造必不可少的环节——尺寸链计算与公差分析

产品设计制造必不可少的环节——尺寸链计算与公差分析

 

· 结论

(1)通过DCC软件进行尺寸链计算,求得A0处的尺寸为:极值法计算结果为: 3.4 ,概率法计算结果为:3.5±0.12。

(2)通过软件仿真分析功能分析,发现现有公差能满足产品质量性能要求,产品合格率为99.12%,下偏差有少量超差,可忽略不计。

 

建议:通过仿真分析,如果还要提高合格率,可根据软件自动提示的建议对公差进行修改。(把A1的公差带往上移)


二、DCC在手机上的应用


·  手机分析需求


曲屏手机的屏幕与壳体之间通过密封胶粘接,但存在胶缝不均匀的现象,影响手机的外观。


产品设计制造必不可少的环节——尺寸链计算与公差分析 


造成胶缝不均匀的因素有:屏幕尺寸误差、壳体尺寸误差、装配误差包括偏移误差和倾斜(旋转)误差、胶层厚度误差(装配时,装配压紧力与胶层厚度存在关系,力越大,胶层厚度越薄,装配屏幕受力不均及胶量差异会导致不同点胶层厚度误差,胶量差异后续计算中忽略不计)等。通过计端面间隙误差侧面间隙误差圆角处间隙误差就可全面反应出屏幕与壳体之间的间隙情况。


产品设计制造必不可少的环节——尺寸链计算与公差分析


下面是侧面间隙误差计算的分析过程:


· 结构示意图如下:

产品设计制造必不可少的环节——尺寸链计算与公差分析

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其中: B1为屏幕长度, B4为屏幕间隙面到

粘接面厚度。

A2为壳体宽度, A4为壳体间隙面到粘接面厚度。

D1、 D2为两侧密封胶厚度(和装配时压力有关,实际计算时也可使用装配压紧力的相关参数进行等效计算)。

α为屏幕与壳体的倾斜角度。

M2 为屏幕与壳体沿侧面的装配定位误差。

 

·   绘制尺寸链图及计算结果

 

产品设计制造必不可少的环节——尺寸链计算与公差分析

产品设计制造必不可少的环节——尺寸链计算与公差分析

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· 优化结果


通过计算可知,需对竖直方向的间隙P1进行优化,若将P1控制在0.07±0.07时,仿真计算产品合格率达到99.9%,通过中间计算竖直方向密封胶厚度应修改为0.07±0.02。


产品设计制造必不可少的环节——尺寸链计算与公差分析

产品设计制造必不可少的环节——尺寸链计算与公差分析

 

结束语


好的公差分析软件,可以在设计阶段即大幅度提高工作效率,解决传统方法难以解决的问题。“DCC尺寸链计算与公差分析软件”是对以往仅仅靠经验和实验手段,以手工计算的方式的革命性改变,对于提高产品质量,降低产品成本、降低开发周期,解决的行业难题有着无可比拟的优势。

 


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2020 - 11 - 25
作者:王晨希  上海安世亚太高频电磁高级技术专家本文共计2216字,阅读时间预计7分钟编者按作者分析了美国空军一号抵御核爆的秘密,包括如何抵御冲击波、核辐射以及电磁脉冲。在抵御电磁脉冲上,美国空军一号用了三层保护机制,可见对飞机这种精密电子飞行器杀伤力更大的当属电磁脉冲。大名鼎鼎的美国空军一号,美国总统的专属座机,被誉为世界上最安全的飞机。这架不同于任何传统客机的总统专机,拥有世界上最顶尖的防御系统,包括防核弹冲击系统、反导系统、诱饵系统,内部设施包括总统生活区、飞行指挥中心以及大名鼎鼎的The nuclear football核弹密码箱等。▲ 空军一号空军一号有两架,飞行呼号都是Special Air Mission 28000和29000,当美国任何一个空中管制员听到这个呼号后都明白美国总统就在上空。空军一号曾一度是国家机密,用以在平常以及核战争时期充当美军的最高指挥中心。▲ 空军一号内部那么作为世界上安保最全面的飞机,面对末日核打击,该如何保护总统及机上人员安全?下面为大家揭开空军一号抵御核爆的秘密。▲ 核弹密码箱首先需要说明的是,无论空军一号的防护多么完备,发生核爆时都不可能在原爆点存活。因为现今人类发明的最强隔热物质能够隔绝的温度不过几千摄氏度,而核爆原爆点几公里内的温度可以达到上千万摄氏度,热核武器甚至可以达到上亿摄氏度,所有的物质都会瞬间气化。空军一号对核爆的防护主要是针对的是冲击波、核辐射以及电磁脉冲。 抵御冲击波今年8月份,在黎巴嫩首都贝鲁特发生了巨大爆炸,强大的冲击波造成了多栋房屋受损,玻璃震碎,港口完全被炸毁,距爆炸地点10多公里的总统府建筑也因此受损。与贝鲁特硝酸铵爆炸产生的冲击波相比,核爆产生的冲击波威力要强大得多,覆盖范围也要大非常多。▲ 贝鲁特爆炸冲击波▲ 核冲击波 为了抵抗...
2020 - 10 - 21
作者:陈康 上海交通大学本文共计3111字,阅读时间预计10分钟编者按作者介绍了壁膜现象、欧拉壁膜模型与部分浸润效应的内在机理,并依此建模进行案例测试分析,以此探索不同壁膜接触角下与质量通量下壁膜形态演变规律的差异,希望可以启发更多的思考探索。介绍壁膜广泛存在于日常生活中,并且在工业生产中也扮演重要角色,如汽车车窗的除雾、冰箱设计、食品冷藏技术中冷凝壁膜的杀菌等应用。壁膜是由液滴撞击到固体壁面上形成的。液滴撞击壁面后的情况有以下四种:■ 附着(stick):液滴以很小的动能撞击壁面并近似保持球形;■ 反弹(rebound):液滴改变速度,相对完整地离开壁面;■ 铺展(spread):液滴以中等动能撞击壁面并铺展为壁膜;■ 飞溅(splash):液滴的一部分留在壁膜中,另一部分以一些更小尺寸的小液滴离开壁面。薄膜假设:壁膜厚度远小于壁面的曲率半径,壁膜在厚度上的属性是一致的,且壁膜流动平行于壁面。基于以上假设下的壁膜模型分为基于场的欧拉壁膜模型和基于粒子的拉格朗日壁膜模型。本文采用欧拉壁膜模型。▲ 图1. 壁膜模型示意图▲ 图2. 液滴与壁面相互作用决策图欧拉壁膜的质量、动量、能量守恒质量守恒等式左边:非稳态项和对流项;等式右边:单位面积下的质量源项,如液滴收集、壁膜分离、壁膜脱落、相变等行为下,需更新壁膜质量源项。动量守恒等式左边:非稳态项和对流项等式右边:→ 第一项:扩散项:其中,压力=气流压力+垂直于壁膜的重力分量+表面张力→ 第二项:重力源项:平行于壁膜的重力分量→ 第三&四项:净粘性切应力源项:气流-壁膜之间&壁面与壁膜之间→ 第五项:动量源项:液滴的收集与分离→ 第六项:表面力源项:壁膜的表面张力、壁膜与壁面间的接触角能量守恒等式左边:非稳态项和对流项等式右边:→ 第一项:气流-壁膜间与壁...
2020 - 10 - 13
作者:吴华春 上海安世亚太结构应用工程师本文共计1559字,阅读时间预计5分钟编者按在ANSYS LS-DYNA中,经常遇到Sliding Energy异常,作者在本文中分析了计算模型常出现的2种情况——初始穿透导致的Sliding Energy异常和由于SEGMENT接触导致的Sliding Energy异常,并给出了对应的解决方法。问题提出负的滑移能存在2种情况:■ 第一种情况:GLSTAT中的滑移能在初始状态就出现负值,如图-1所示。▲ 图-1 第一种能量异常图■ 第二种情况:CAE工程师在利用ANSYS LS-DYNA进行计算时,很多时候会碰到图-2所示的状况,严重的能量不平衡。内能、滑移能在计算前期表现还算正常,但是到计算后期,内能、动能、滑移能严重偏离,导致整个模型能量异常,计算结果不可信。▲ 图-2 第二种能量异常图解决方法第一种情况的解决方法(初始穿透)在仿真模型中出现初始穿透,导致初始的滑移能为负值。仿真穿透模型如图-3所示。产生机理:LS-DYNA在进行接触搜索时,发现存在网格穿透问题,需要把穿透部分的节点移到不穿透的位置,这可以在LS-DYNA软件中设置。如图-4所示,当把初始穿透清除后,其滑移能和整个模型能量表现正常(如图-5所示)。▲图-3 存在初始穿透模型▲ 图-4 清除初始穿透模型▲ 图-5 第一种能量正常图初始穿透解决方法有以下几种① 手动调整单元节点  在进行模型网格划分和设置零件厚度时必须确认是否存在干涉,即必须考虑壳单元的接触厚度。如果发生穿透,可以从计算出的message或d3hsp文件中对关键字“initial penetrations”进行搜索,找到相关单元,然后调整单元节点,消除初始穿透。在一些专门的前处理软件中,例如ANSA,HYPERMESH、SpaceClaim在提交计算前对模型进行...
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