先進制造與工程仿真技術(shù)電子課件

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李彬

2013.2先進制造與工程仿真技術(shù)2“問渠哪得清如許？為有源頭活水來！”一般認為，人類文明有三大物質(zhì)支柱：材料、能源與信息。其實，應是四而非三，“制造”也應是一大支柱?？梢哉f，沒有“制造”，就沒有人類。形象地講，人是從制造第一把石刀開始的。

制造業(yè)是“永遠不落的太陽”，是現(xiàn)代文明的支柱之一；它既占有基礎地位，又處于前沿和關(guān)鍵，既古老，又年輕；它是工業(yè)的主體，是國民經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的基礎；它是生產(chǎn)工具、生活資料、科技手段、國防裝備等及其進步的依托，是現(xiàn)代化的動力源之一。楊叔子1933年出生。教授，中國科學院院士。1956年畢業(yè)于華中工學院機械系。1981年赴美國Wisconsin大學（Madison）作訪問學者。1991年獲政府特殊津貼。1993年至1997年任華中理工大學校長?，F(xiàn)任華中科技大學學術(shù)委員會主任委員。出版論著5部，教材5種。發(fā)表論文400余篇。曾獲國家自然科學獎、國家發(fā)明獎、國家圖書獎和省部級科技進步獎共18項。3沒有制造業(yè)，就沒有工業(yè)；而沒有機械制造業(yè)，就沒有獨立的工業(yè)，即使制造業(yè)再大再多再好，也受制于人。我國這么一個大國，如果沒有強大的裝備制造業(yè)，特別是同高科技相應的機床制造業(yè)，我國就不可能有獨立自主的制造業(yè)與工業(yè)。如在信息化日益發(fā)展的今天，計算機、微電子產(chǎn)品在信息化中起著特別重大的作用，芯片的重要性不言而喻，而我國可說是一個無“芯”國家；預計2005年我國需要芯片365億塊，目前自給率小于20％，自主開發(fā)率約5％，關(guān)鍵就是我國制造不出生產(chǎn)芯片的裝備。

我們所謂的“先進制造技術(shù)”，其實就是“制造技術(shù)”加“信息技術(shù)”加“管理科學”，再加上有關(guān)的科學技術(shù)交融而形成的制造技術(shù)?！跋冗M制造技術(shù)”就是這么一個交融的技術(shù)，它生機勃勃地適應與占領現(xiàn)代制造業(yè)市場。

4展望：制造業(yè)在21世紀將出現(xiàn)奇跡汽車:會跑，會飛，水路兩用；飛機:更快、更安全；高速列車和磁懸浮列車；智能儀器裝備和智能機器人:按照人們的要求高效率、高質(zhì)量地制造產(chǎn)品；微型機器人:能進人血管清理垃圾、修補心臟；分子組裝技術(shù):組裝出理想性能的微器件；掌上工具:計算機、可視電話、電視、音響和網(wǎng)絡的集成。5會飛的汽車6該交通工具能以超過時速169公里的速度在空中航行至少788公里的距離，也能以一般車輛的速度行駛在高速公路上，只要不到30秒的時間，就能從飛機變身汽車。目前Terrafugia收取的預訂金為1萬美元。一旦Transition投放市場，其售價將在20萬-25萬美元之間。7水路兩用汽車89超豪華空中巴士10超豪華空中巴士112010年12月世界高鐵大會在北京召開之際，鐵道部領導宣布，12月3日，京滬高鐵在先導段的運行試驗中，最高時速達到了486.1公里。

1213§1.1制造與制造系統(tǒng)概述§1.2先進制造技術(shù)的提出和發(fā)展 §1.3工程仿真技術(shù)的提出和發(fā)展第1章緒論14教學要求：掌握先進制造技術(shù)的內(nèi)涵、技術(shù)構(gòu)成、體系結(jié)構(gòu)、分類。了解先進制造技術(shù)產(chǎn)生的背景與發(fā)展趨勢。了解先進制造技術(shù)的發(fā)展背景、相關(guān)工業(yè)發(fā)達國家制造業(yè)的發(fā)展狀況，以及我國先進制造技術(shù)領域在國際上的地位與發(fā)達國家之間的差距。了解工程仿真技術(shù)的概念、特點、作用和現(xiàn)狀。15航空航天工業(yè)是戰(zhàn)略性工業(yè)，也是高新技術(shù)最為富集的領域，可以體現(xiàn)出一個國家的科學技術(shù)發(fā)展水平的高低。新一代飛機普遍采用由大型整塊毛坯直接“掏空”加工而成的具有復雜槽腔、筋條、凸臺和減輕孔等特征的整體結(jié)構(gòu)件，如整體框、梁、蜂窩等零件，如圖1-1、1-2所示。章節(jié)引例圖1-1某飛機整體隔框類零件圖1-2某飛機整體蜂窩類零件16與傳統(tǒng)的鉚接和螺栓連接的飛機組合結(jié)構(gòu)件相比，采用整體結(jié)構(gòu)設計的優(yōu)點在于可以使飛機機體零件數(shù)量大大減少，縮短了零件制造周期；減輕了飛機裝配工作量；提高了飛機的裝配協(xié)調(diào)性，減少鉚接零件的同時減少了鉚接裝配變形；飛機機體結(jié)構(gòu)效率成倍提高。例如：某飛機的鋁-鈦合金整體結(jié)構(gòu)的機翼與其鋁合金鉚接結(jié)構(gòu)機翼相比，結(jié)構(gòu)效率提高了3倍，抗疲勞能力提高了4~6倍，大幅度地提高了機身壽命和可靠性。171.1制造與制造系統(tǒng)概述1.1.1制造與制造技術(shù)

制造是人類按照所需目的，運用主觀掌握的知識和技能，借助于手工或客觀可以利用的物質(zhì)工具，采用有效的方法，將原材料，轉(zhuǎn)化成最終物質(zhì)產(chǎn)品，并投放市場的全過程。

制造分為狹義的制造和廣義的制造。在產(chǎn)品生產(chǎn)中，使原材料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品過程所施行的各種手段的總和，稱為制造技術(shù)。

傳統(tǒng)的制造技術(shù)主要由設計技術(shù)、制造工藝與裝配技術(shù)和生產(chǎn)組織與管理技術(shù)三個部分構(gòu)成。181.1.2制造系統(tǒng)制造系統(tǒng)是指制造過程及其所涉及的硬件、軟件和人員組成的一個將制造資源轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品的有機整體。制造系統(tǒng)涉及產(chǎn)品生命周期，包括市場分析、產(chǎn)品設計、工藝規(guī)劃、加工過程、裝配、運輸、產(chǎn)品銷售、售后服務及回收處理等的全過程或部分環(huán)節(jié)。制造系統(tǒng)特性包含了結(jié)構(gòu)特性、轉(zhuǎn)變特性和程序特性。圖1-3某汽車制造系統(tǒng)的生產(chǎn)物流示意圖191.1.3制造業(yè)與裝備制造業(yè)制造業(yè)是將制造資源利用制造技術(shù)，通過制造過程，轉(zhuǎn)化為供人們使用或利用的工業(yè)品或生活消費品的行業(yè)。裝備制造業(yè)又稱裝備工業(yè)，主要是指資本品制造業(yè)，是為滿足國民經(jīng)濟各部門發(fā)展和國家安全需要而制造各種技術(shù)裝備的產(chǎn)業(yè)總稱。按照裝備功能和重要性，裝備制造業(yè)主要包括以下三方面內(nèi)容：一是重大的先進的基礎機械，即制造裝備的裝備—工作“母機”，主要包括數(shù)控機床(NC)、柔性制造單元(FMC)、柔性制造系統(tǒng)(FMS)、計算機集成制造系統(tǒng)(DIMS)、工業(yè)機器人、大規(guī)模集成電路及電子制造設備等。二是重要的機械、電子基礎件，主要是先進的液壓、氣動、軸承、密封、模具、刀具、低壓電器、微電子和電力電子器件、儀器儀表及自動化控制系統(tǒng)等等。三是國民經(jīng)濟各部門（包括農(nóng)業(yè)、能源、交通、原材料、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)保等）科學技術(shù)、軍工生產(chǎn)所需的重大成套技術(shù)裝備201.2先進制造技術(shù)的提出和發(fā)展1.2.1先進制造技術(shù)的產(chǎn)生與定義先進制造技術(shù)是美國于20世紀80年代末期提出的，1993年，美國政府批準了由聯(lián)邦科學、工程與技術(shù)協(xié)調(diào)委員會（FCCSET）主持實施的先進制造技術(shù)計劃（AdvancedManufacturingTechnology－AMT），此計劃是美國根據(jù)本國制造業(yè)面臨的挑戰(zhàn)和機遇，為增強制造業(yè)的競爭力和促進國家經(jīng)濟增長，首先提出的。先進制造技術(shù)的定義與內(nèi)涵是在傳統(tǒng)制造技術(shù)基礎上不斷吸收機械、電子、信息、材料、能源和現(xiàn)代管理等方面的成果，并將其綜合應用于產(chǎn)品設計。制造、檢測、管理、銷售、使用、服務的制造全過程，以實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔、靈活的生產(chǎn)，提高對動態(tài)多變的市場的適應能力和競爭能力的制造技術(shù)總稱，也是取得理想技術(shù)經(jīng)濟效果的制造技術(shù)的總稱。211.2.2先進制造業(yè)的發(fā)展概況20世紀90年代以來，美國、日本、歐共體、德國、中國等都針對先進制造技術(shù)的研發(fā)提出了國家級發(fā)展計劃，旨在提高本國制造業(yè)的國際競爭能力美國長期以來，美國的經(jīng)濟學家和決策者之間一直在爭論失去制造業(yè)及其就業(yè)機會是否事關(guān)重大。一些專家認為，隨著收入的增長、生產(chǎn)率的提高，就業(yè)從農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)向制造業(yè)，再從制造業(yè)轉(zhuǎn)向服務業(yè)，這是經(jīng)濟發(fā)展的自然規(guī)律。但美國必須要挽回其在制造業(yè)的領導地日本日本是全球最重要的先進制造業(yè)出口國，近幾十年以來一直堅持“產(chǎn)業(yè)立國”的理念，所采取的策略是：在本土致力于技術(shù)研發(fā)，掌握核心技術(shù)；在海外建立“新”日本生產(chǎn)基地，進行產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移。從重視應用研究轉(zhuǎn)向加強基礎研究，以便徹底擺脫“美國出創(chuàng)新概念，日本出創(chuàng)新產(chǎn)品”的局面。22德國德國是世界制造業(yè)的傳統(tǒng)強國，以良好的質(zhì)量和生產(chǎn)工藝聞名于世。目前德國制造業(yè)依然是傳統(tǒng)高端制造業(yè)的代表，世界第四大經(jīng)濟體，歐洲頭號經(jīng)濟體，其工業(yè)制造業(yè)占GDP的29%，成為其經(jīng)濟的“脊梁”，帶動了相關(guān)產(chǎn)業(yè)和服務業(yè)的發(fā)展。德國的精密機械、制藥、工程機械、汽車制造、環(huán)保產(chǎn)業(yè)聞名于世，以質(zhì)量可靠著稱。由于制造業(yè)的發(fā)達，自2003年開始成為世界頭號出口大國，一直到2009年才被新崛起的“世界工廠”中國推到世界第二的位子。法國法國的制造業(yè)主要集中在機械與運輸設備制造、醫(yī)藥醫(yī)療器械、汽車、基礎化工方面等。法國工業(yè)部在2010年推出了“法國制造”的主張，著力奠定法國在核電、高速列車、航空航天、汽車等制造業(yè)領域處于世界領先水平，法國總統(tǒng)薩科奇在2011年底視察某一家滑雪器具生產(chǎn)廠時，親自主持主題為“法國制造”的圓桌會議，希望通過先進制造業(yè)來遏制歐債危機在法國的蔓延，改善法國的就業(yè)、內(nèi)需和出口問題。

23英國在金融和專業(yè)服務業(yè)以外，英國最具優(yōu)勢的產(chǎn)業(yè)就是先進制造業(yè)。近些年來，在英國的先進制造業(yè)領域里出現(xiàn)了一套新型多功能、擁有一定制造應用范圍的平臺技術(shù)。這些技術(shù)涵蓋塑料電子、硅設計、可再生化學和用以替代各類金屬的碳纖維復合材料等領域。韓國韓國的先進制造技術(shù)計劃源于二十世紀九十年代，當時韓國政府提出了國家高級先進技術(shù)計劃(HANP)，由韓國科技部、工商部、能源部和交通部聯(lián)合實施。進入二十一世紀，受到金融危機的影響，韓國的制造業(yè)進入了相對下降和震蕩階段。韓國的汽車、半導體、造船、石油化學、鋼鐵、手機生產(chǎn)等制造業(yè)世界聞名，尤其在半導體、液晶、芯片等產(chǎn)業(yè)技術(shù)方面幾乎與日本不相上下。我國先進制造技術(shù)的發(fā)展中國目前號稱世界工廠，但是中國制造是經(jīng)濟全球化時代產(chǎn)業(yè)分工的結(jié)果，與其他制造業(yè)強國相比，中國制造沒有自己的核心技術(shù)，沒有自己的全球銷售網(wǎng)絡和市場，在全球產(chǎn)業(yè)分工體系中屬于廉價的代工和加工生產(chǎn)基地。241.2.3先進制造技術(shù)的體系、分類與特點

先進制造技術(shù)的體系目前還沒有統(tǒng)一的認識，按照機械科學研究院(AMST)提出的先進制造技術(shù)由多層次技術(shù)群構(gòu)成的體系圖，如圖1-4

圖1-4先進制造技術(shù)的多層次體系圖25先進制造技術(shù)的分類根據(jù)產(chǎn)品制造過程所依賴的技術(shù)群，先進制造技術(shù)可分為四大類。即：先進設計技術(shù)、先進制造工藝技術(shù)、制造自動化技術(shù)、先進制造生產(chǎn)模式。先進制造技術(shù)的特點為先進性、規(guī)范性、實用性、集成性、系統(tǒng)性、動態(tài)性。先進制造技術(shù)是以提高綜合效益為目的，以人為主體，以計算機技術(shù)為支柱，綜合應用系統(tǒng)技術(shù)、自動化技術(shù)、信息、材料與工藝技術(shù)、能源與環(huán)保等高新技術(shù)以及現(xiàn)代系統(tǒng)管理技術(shù)，研究并改造制造過程作用于產(chǎn)品整個壽命周期的所有適用技術(shù)的總稱。而把這些適用技術(shù)所構(gòu)成的制造系統(tǒng)，統(tǒng)稱先進制造系統(tǒng)。261.2.4先進制造技術(shù)的發(fā)展趨勢先進制造技術(shù)專家楊叔子院士曾用12個字精辟而深刻的字闡釋了先進制造技術(shù)發(fā)展趨勢：一，制造產(chǎn)品：“精”、“極”、“文”，二，制造過程：“綠”、“快”、“省”、“效”三，制造方法，“數(shù)”、“自”、“集”、“網(wǎng)”、“智”。美國的PhysicsToday在1993年的雜志封面上刊登了一個圓形的像美麗的皇冠樣的圖形，它由周邊的48個小圖形組成。從中心到周圍蕩著水波一樣的裝飾。在單晶的表面用48個鐵原子圍成了一個14.3nm的圓圈，相鄰兩個鐵原子間距離僅為1nm，如圖1-5所示。圖1-5先進制造技術(shù)的多層次體系圖271.3.1工程仿真技術(shù)的概念工程仿真技術(shù)是以相似原理、系統(tǒng)技術(shù)、信息技術(shù)以及仿真應用領域的相關(guān)專業(yè)知識技術(shù)為基礎，以計算機系統(tǒng)和相關(guān)的物理效應設備及仿真器為工具，利用模型對系統(tǒng)（已有的或設想的）進行工程研究的一門多學科的綜合性的技術(shù)。利用計算機對工程系統(tǒng)仿真的過程可以通過三個基本活動來描述：1.建?；顒樱和ㄟ^對實際工程的觀測和檢測，在忽略次要因素及不可檢測變量的基礎上，用物理或數(shù)學的方法進行描述，從而獲得實際工程系統(tǒng)的簡化近似模型。2.

仿真模型：對工程系統(tǒng)的數(shù)字模型（實際是一種簡化后的模型）進行一定的算法處理，使其成為合適的形式之后以便于計算機進行計算。3.過程仿真：將實際工程的狀態(tài)在模型中進行模擬。通過仿真技術(shù)可以弄清工程系統(tǒng)的內(nèi)在變量對被控對象的影響。281.3.2工程仿真技術(shù)的特點

工程仿真技術(shù)憑借新的加工制造技術(shù)和執(zhí)行機構(gòu)技術(shù)的支持，對設計、制造和維護高性能執(zhí)行機構(gòu)，構(gòu)建一個包括控制器和執(zhí)行機構(gòu)的完整的自動化系統(tǒng)起到了積極作用，也因此得到了巨大的發(fā)展。現(xiàn)代的工程仿真技術(shù)具有如下特點1.在工程系統(tǒng)中，仿真技術(shù)是一門通用的支撐性技術(shù)。2.工程仿真技術(shù)的發(fā)展具有相對的獨立性，同時又與光、機、電、聲，特別是信息等眾多專業(yè)技術(shù)領域的實際發(fā)展互為促進。3.工程仿真技術(shù)的發(fā)展還與應用緊密相關(guān)。29超彈密封仿真結(jié)構(gòu)分析結(jié)構(gòu)分析用于確定結(jié)構(gòu)的變形、應變、應力及反力靜力分析用于靜力載荷條件可以模擬諸如大變形、大應變、接觸、塑性、超彈、蠕變等非線性行為齒輪嚙合30動力學分析包括質(zhì)量和阻尼效應模態(tài)分析計算固有頻率及振型諧響應分析確定結(jié)構(gòu)對已知幅值和頻率的正弦載荷的響應瞬態(tài)動力學分析確定結(jié)構(gòu)對隨時間變化載荷的響應，可以包括非線性行為其他結(jié)構(gòu)功能譜分析隨機振動特征值屈曲子結(jié)構(gòu)，子模型汽車模態(tài)分析31顯示動力學

ANSYS/LS-DYNA側(cè)重慣性力占主導的大變形模擬用于模擬沖擊、碰撞、快速成型等。車側(cè)撞板料成形仿真結(jié)構(gòu)分析（續(xù)）32雙金屬桿由于加熱產(chǎn)生變形耦合場分析考慮兩種或多于兩種