【正文】 間 計算機(jī)輔助工程1仿真技術(shù)仿真技術(shù)亦稱為模擬技術(shù)。仿真技術(shù)是以相似原理、信息技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)的專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計算機(jī)和各種物理效應(yīng)設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對實(shí)際的或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究的一門綜合性技術(shù)。仿真技術(shù)集成了當(dāng)代科學(xué)技術(shù)中多種現(xiàn)代化頂尖手段，極大地擴(kuò)展了人類的視野和時限能力，在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生著日益重要的作用。隨著計算機(jī)軟硬件的高速發(fā)展,使得計算機(jī)模擬仿真技術(shù)也得到了長足的發(fā)展,目前計算機(jī)模擬仿真技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用。計算機(jī)模擬與仿真技術(shù)在冶煉、精煉、連鑄、軋制過程的流場、溫度場、應(yīng)力場以及金屬組織性能的預(yù)測與控制,鋼鐵制造過程的成分與板形精確控制、工藝技術(shù)優(yōu)化、新產(chǎn)品開發(fā)的預(yù)先模擬試驗(yàn),都需要模擬與仿真。它不但可以節(jié)約新產(chǎn)品、工藝開發(fā)時間和費(fèi)用,提高試驗(yàn)成功率,而且,容易形成企業(yè)自主知識產(chǎn)權(quán)的工藝與產(chǎn)品,從國內(nèi)外鋼鐵企業(yè)的發(fā)展來看,企業(yè)的核心技術(shù)部分來自于計算機(jī)模擬與仿真技術(shù)以及數(shù)據(jù)積累而形成的精確控制模型。我國在這一領(lǐng)域起步較晚,但是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,以及市場競爭的日益激烈,很多企業(yè)都在工藝方面加強(qiáng)力度,目前很多研究機(jī)構(gòu)及高校利用有限元分析對于冶煉過程和軋制過程進(jìn)行了相關(guān)研究。國內(nèi)各大鋼鐵公司利用模擬仿真技術(shù),針對型鋼的軋制過程進(jìn)行了相關(guān)理論研究工作,在新規(guī)格、新產(chǎn)品的開發(fā)方面取得突破,同時對汽車用鋼進(jìn)行了模擬分析,直接對其客戶進(jìn)行仿真分析及模具設(shè)計的理論支持。有限元軟件中的Multiphysics模塊主要用于結(jié)構(gòu)和溫度場分析,屬于多物理耦合場分析模塊:LSDYNA模塊主要用于大變形分析,例如軋制、沖壓等。CFX模塊主要用于流場分析,例如在冶金界的高爐、轉(zhuǎn)爐、電爐、大包、中間包、結(jié)晶器等方面的流場分析:DYNAFORM模塊主要用于沖壓成形,例如汽車板的沖壓。2三維空間計算機(jī)輔助技術(shù)三維空間計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)的最大特點(diǎn)是：所見即所得。就是說設(shè)計人員通過各種三維空間軟件在計算機(jī)上進(jìn)行建立模型操作，通過軟件的渲染，功能就能真實(shí)表現(xiàn)出實(shí)際需要的各種實(shí)體模型。而且三維空間軟件都有巡視功能，操作者可以通過移動鼠標(biāo)調(diào)整視線的不同位置來觀察，甚至把自己置身一個煉鋼廠房中查看整個冶金工藝流線的各種設(shè)備和管道的布置。根據(jù)工藝專業(yè)所提設(shè)計資料通過CAD軟件（CAD、3D CAD、PKP Mcad等平面及三維設(shè)計軟件）作圖繪制。而后進(jìn)行確認(rèn)，同時進(jìn)行實(shí)體模型的建立和渲染。大型冶金工業(yè)設(shè)計牽扯工藝、設(shè)備、建筑、結(jié)構(gòu)、通風(fēng)、給排水等多個專業(yè)，各專業(yè)之間需要協(xié)調(diào)工作才能完成設(shè)計任務(wù)。隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日臻成熟，現(xiàn)已可以實(shí)現(xiàn)不同專業(yè)、多工作站共同工作的網(wǎng)絡(luò)平臺三維空間計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用。各專業(yè)設(shè)計工作通過網(wǎng)絡(luò)平臺的三維空間計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)互相對設(shè)計方案進(jìn)行調(diào)整，直至符合要求。三維空間技術(shù)的載體是計算機(jī)系統(tǒng)。系統(tǒng)組成分硬件和軟件。硬件主要有性能優(yōu)良的計算機(jī)，大屏幕顯示器，彩色噴墨打印機(jī)；軟件主要有Windows操作系統(tǒng)，CAD、3DCAD、PKPMcad等平面及三維設(shè)計軟件。大型冶金企業(yè)設(shè)計牽扯工藝、設(shè)備、建筑、結(jié)構(gòu)、通風(fēng)、給排水等多個專業(yè)，各專業(yè)之間需要協(xié)調(diào)工作才能完成設(shè)計任務(wù)。隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)不同專業(yè)、多工作站共同工作的網(wǎng)絡(luò)平臺三維空間計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用。3計算機(jī)輔助工程計算機(jī)輔助工程(CAE),包括工程和制造業(yè)信息化的所有方面,但是傳統(tǒng)的CAE主要指用計算機(jī)對工程和產(chǎn)品的功能、性能與安全可靠性進(jìn)行計算和優(yōu)化設(shè)計,對未來的工作狀態(tài)和運(yùn)行行為進(jìn)行模擬仿真,及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺損,改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計方案, 證實(shí)未來工程或產(chǎn)品的可用性和可靠性。CAE技術(shù)主要體現(xiàn)在有限元分析、虛擬仿真技術(shù)和優(yōu)化設(shè)計三個方面。有限元分析的主要對象是零件級,包括結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度分析、非線性和熱場計算等內(nèi)容。虛擬仿真技術(shù)的主要對象是分系統(tǒng)或系統(tǒng),包括虛擬樣機(jī)、流場計算和電磁場計算等內(nèi)容。優(yōu)化設(shè)計的主要對象是結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)。從運(yùn)用有限元法對已設(shè)計工程或產(chǎn)品的性能進(jìn)行簡單校核,逐步發(fā)展到對工程或產(chǎn)品性能的準(zhǔn)確預(yù)測,再到對工程或產(chǎn)品工作過程的精確模擬仿真,有限元法和仿真技術(shù)發(fā)揮了重要作用,提高了工程或產(chǎn)品的性能、質(zhì)量。而最優(yōu)化技術(shù)的采用又降低了工程或產(chǎn)品的成本,縮短了開發(fā)周期,減輕了人的勞動,并大大增強(qiáng)了產(chǎn)品的競爭力。在工程中應(yīng)用CAE技術(shù),需要一個載體,而 CAE技術(shù)的載體就是CAE軟件。CAE軟件是結(jié)合計算力學(xué)、計算數(shù)學(xué)、相關(guān)的工程科學(xué)、工程管理學(xué)和現(xiàn)代計算技術(shù),而形成的綜合性、知識密集型信息產(chǎn)品,是實(shí)現(xiàn)工程或產(chǎn)品的計算分析、模擬仿真與優(yōu)化設(shè)計的工程軟件,是支持工程科學(xué)家進(jìn)行創(chuàng)新研究和工程師進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計最重要的工具和手段。常規(guī)的通用CAE軟件一般均由前處理、有限元分析、后處理三部分組成,每部分的組成及功能如表 1所示。表1 通用CAE軟件的組成及功能名稱 組成及功能前處理 三維實(shí)體建模與參數(shù)化建模，構(gòu)建的布爾運(yùn)算，有限元剖分與節(jié)點(diǎn)編號，節(jié)點(diǎn)參數(shù)生成，載荷與材料數(shù)據(jù)輸入，節(jié)點(diǎn)載荷生成，有限元模型信息的生成等有限元分析 有限單元庫，材料庫及相關(guān)算法庫，約束處理算法，靜力、動力、振動、線性與非線性解法庫及相應(yīng)的有限元系統(tǒng)組裝模塊庫等后處理 有限元分析結(jié)果的數(shù)據(jù)平滑，各種物理量的加工與顯示，根據(jù)設(shè)計要求對產(chǎn)品按工程規(guī)范進(jìn)行設(shè)計數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，優(yōu)化設(shè)計，繪制設(shè)計圖等 計算機(jī)輔助工程的應(yīng)用鋼鐵工業(yè)是世界工業(yè)化過程中最具成長性的產(chǎn)業(yè)之一,長期成為各個工業(yè)化國家的重要產(chǎn)業(yè)。在我國,雖然整個現(xiàn)代化建設(shè)以傳統(tǒng)原材料為基礎(chǔ)的狀況已在發(fā)生改變,但鋼鐵仍是基本的結(jié)構(gòu)材料和產(chǎn)量最大的功能材料。鋼鐵工業(yè)具有很強(qiáng)的產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)性,上游影響交通運(yùn)輸、采礦、耐火材料等產(chǎn)業(yè),下游影響建筑、汽車、造船、金屬制品、機(jī)械電子等行業(yè)。鋼鐵工業(yè)依然是工業(yè)化國家最重要的產(chǎn)業(yè)部門之一,其發(fā)展?fàn)顩r也是衡量其工業(yè)水平和綜合國力的重要指標(biāo)。世界范圍內(nèi)鋼鐵工業(yè)正面臨著新技術(shù)蓬勃發(fā)展、結(jié)構(gòu)變革的局面。用高新技術(shù)改造傳統(tǒng)鋼鐵工業(yè),加速結(jié)構(gòu)優(yōu)化,提高市場競爭力,是發(fā)展鋼鐵工業(yè)的主流趨勢。計算機(jī)輔助工程(CAE)技術(shù)以其高效率、低成本的優(yōu)勢在鋼鐵工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。通過CAE技術(shù),可以對鋼鐵工業(yè)中從冶煉到加工的各個工藝過程進(jìn)行計算機(jī)過程模擬、系統(tǒng)優(yōu)化、自動控制,采用計算機(jī)對生產(chǎn)過程、工藝參數(shù)及生產(chǎn)結(jié)果進(jìn)行模擬和對整個系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的超前規(guī)劃和設(shè)計。冶金設(shè)備作為冶金技術(shù)的載體,本身具有大型、重載、高速、連續(xù)、自動化、精密化等特點(diǎn),而且往往工作在高溫、重載、高粉塵、大沖擊等惡劣條件下,許多性能無法采用實(shí)物試驗(yàn)的方法獲得。近年來,國內(nèi)外冶金生產(chǎn)中,不斷出現(xiàn)重大設(shè)備事故,也都涉及到設(shè)備的力學(xué)行為。同時,冶金工業(yè)的發(fā)展對機(jī)械設(shè)備的性能和使用條件提出了許多新的要求。如近年出現(xiàn)的短流程技術(shù)及連鑄連軋技術(shù),這些關(guān)鍵技術(shù)集中表現(xiàn)為要解決的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計及力學(xué)問題,包括強(qiáng)度問題、運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)問題和傳熱及熱應(yīng)力問題,也對冶金機(jī)械設(shè)計研究和開發(fā)提出了更高的要求。因此CAE技術(shù)在冶金設(shè)備的設(shè)計研究上也得到了廣泛的應(yīng)用。目前CAE技術(shù)在煉鐵生產(chǎn)中取得的主要成果有:采用有限元法建立高爐復(fù)雜料面及中心裝焦條件下的煤氣流場和壓力場解析模型、高爐固態(tài)爐料流場和勢函數(shù)解析模型，分析高爐中心裝焦條件下的高爐狀況。利用CAE技術(shù)計算分析高爐冷卻水的穩(wěn)定性、流速、冷卻水管與冷卻壁本體的間隙及冷卻的高度對長壽高效高爐冷卻壁壽命的影響。采用有限元法對高爐爐體結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析等。在煉鐵機(jī)械設(shè)計優(yōu)化方面，CAE主要發(fā)揮作用在于針對上料系統(tǒng)、燒結(jié)機(jī)、球團(tuán)造球機(jī)、回轉(zhuǎn)窯等一系列相關(guān)設(shè)備的力學(xué)分析和優(yōu)化設(shè)計，提高了機(jī)械設(shè)備的效率和壽命，降低了機(jī)械的制造成本，在改善噪音和震動方面也發(fā)揮了重要作用。結(jié)束語：隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，冶金企業(yè)中許多以前無法解決的復(fù)雜計算和過程控制，如今借助計算機(jī)技術(shù)都可實(shí)現(xiàn)或者有望解決?，F(xiàn)代冶金企業(yè)領(lǐng)域?qū)⒃絹碓蕉嗟厥褂煤鸵揽坑嬎銠C(jī)技術(shù)來處理難以用常規(guī)手段解決的問題。仿真技術(shù)在冶金企業(yè)中冶煉、精煉、連鑄、軋制過程的流場、溫度場、應(yīng)力場以及金屬組織性能的預(yù)測與控制,鋼鐵制造過程的成分與板形精確控制、工藝技術(shù)優(yōu)化、新產(chǎn)品開發(fā)的預(yù)先模擬試驗(yàn),都得到了快速發(fā)展，且不可缺少的技術(shù)手段。三維空間計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)的在冶金設(shè)計中的應(yīng)用極大的提高了設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量。在冶金工業(yè)設(shè)計和施工中再也不會出現(xiàn)設(shè)備、管道、主體結(jié)構(gòu)打架的情況了。三維空間計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)的發(fā)展將會在國家實(shí)現(xiàn)技術(shù)現(xiàn)代化的復(fù)興中起到關(guān)鍵性的作用。CAE技術(shù)已成為鋼鐵工業(yè)中新工藝和新產(chǎn)品的開發(fā)研制、生產(chǎn)工藝優(yōu)化、設(shè)備能力考察和優(yōu)化設(shè)計過程中不可缺少的重要手段，其應(yīng)用前景也越來越廣。參考文獻(xiàn)孫會朝 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