快速扫描电子束加工技术及其在航空制造领域的潜在应用

第一篇：快速扫描电子束加工技术及其在航空制造领域的潜在应用

快速扫描电子束加工技术及其在航空制造领域的潜在应用

电子束加工是利用高能量密度的电子束对材料进行加工处理的方法，电子束作为一种热源，通过调整其能量密度、束斑直径、束流作用时间和材料本身的热物理特性，可以产生加热、熔化和汽化等多种加热效果。电子束加工包括焊接、打孔、热处理、表面加工、熔炼、镀膜、物理气相沉积、雕刻以及电子束曝光等，其中电子束焊接是发展最快、应用最广泛的一种电子束加工技术。电子束加工的特点是功率密度大，能在瞬间将能量传给工件，而且电子束的能量和位置可以用电磁场精确和迅速地调节，实现计算机控制。因此，电子束加工技术广泛应用于制造加工的许多领域，如航天、电子、汽车、核工业等，是一种重要的加工方法。

近年来，随着电磁场控制技术的发展，并结合电子束在磁场中易控的特点，开发了一种新型的电子束加工方法――快速扫描电子束加工技术。这种通过电磁场的控制实现电子束的快速偏转扫描的方法越来越显出其技术的优势，在航空航天制造领域中获得了广泛的应用。

快速扫描电子束加工技术原理与特点

快速扫描电子束加工技术的原理如图1 所示，就是通过对电子枪偏转线圈和聚焦线圈的控制，使电子束在工件上按特定的轨迹、速率和能量快速偏转而实现快速扫描电子束加工。由于电子束几乎没有质量和惯性，可以实现非接触的偏转，而且通过电压控制，可以在不同的位置切换时控制束流通断，这样，束流就可以在构件的不同位置以极高的频率切换。由于材料的热惯性，通过束流与材料的相互作用，在这些位置上就会同时产生冶金效果，实现电子束的扫描加工。如果在不同的束流之间改变聚焦位置或者束流强度，则可以实现多功能加工技术，如多束流加工技术、电子束“毛化”技术以及电子束快速成型技术等。

（1）多束流电子束加工(Multibeam Technology)是指采用2束以上的电子束对材料或结构进行处理和加工的一种方法。多束流电子束可以由多个电子枪产生，也可以由1个电子枪通过电磁场的控制而产生。电子束在不同的位置快速移动，由于移动的频率很高从而产生多束的效果。本文所提到的多束流电子束都是指由1个电子枪通过电磁场控制而产生的多束。

（2）电子束“毛化” 技术（Electron Beam Surfi-sculpt）是英国焊接研究所（TWI）Bruce Dance 等人近年来发明的一种新型电子束加工技术，它借助于电磁场对电子束的复杂扫描控制而在金属材料表面产生特殊的成形效果。其基本过程是在真空环境中，通过快速响应偏转线圈和复杂信号控制程序精确控制电子束流，使其按照某种特定的方式、特定的规律、一定的速度和能量作用于材料表面，并在材料表面形成金属的微小熔池。一旦材料开始形成熔池，电子束将通过磁场的扫描控制被迅速转移到其他位置，而熔化的液态金属在表面张力及金属蒸汽压力的共同作用下，向束流移动相反的方向流动，并在熔池后方快速冷却、凝固。随着束流的重复扫描，熔池前端的金属被继续转移到熔池后端，经过不断的堆积、冷却、凝固，逐渐形成一定形状和大小的“凸起”（毛刺），产生表面“毛化”的效果，而在熔池前端形成很小的凹坑或者凹槽状的“刻蚀”。

本文由振动流化床干燥机http://czcbgz.com 双锥回转真空干燥机czcbgz.com 联合整理发布（3）电子束快速成型技术（Electron Beam Melting，EBM）是一种集成了计算机、数控、电子束和新材料等技术而发展起来的先进制造技术。电子束在计算机的控制下按零件截面轮廓的信息有选择地熔化金属粉末，并通过层层堆积，直至整个零件全部熔化完成；最后，去除多余的粉末便得到所需的三维产品。与激光及等离子束快速成型相比，电子束快速成型技术具有能量利用率高、加工速度快、运行成本低、高真空保护等优点，是高性能复杂粉末冶金件的理想快速制造技术。

快速扫描电子束加工技术的国内外现状 多束流加工技术

电子束扫描技术早在20世纪70 年代就已经用于消除电子束焊接缺陷，但是由于控制技术的限制，最近才开始用于多束流焊接和其他加工技术。德国Steigerwald、PTR和Pro-beam等公司都进行过相关研究，主要是在束流偏转设备方面；Aachen大学的焊接研究所在这方面的研究也比较多，主要是在多束流的束流品质、能量分配及加工过程中热、力、冶金的相互作用方面。英国焊接研究所的Oliver Nello等人设计和建立了可编程偏转系统，该系统具有使电子束在X、Y轴快速偏转并以相似的速度调节电子束焦点（Z轴）的能力，可用于电子束多束流焊接过程应力变形控制的研究。

在国内，北京航空制造工程研究所“十一五”期间在国家自然科学基金（多束流电子束加工的热效应）的基础上搭建了多束流技术试验平台，开展了多束流扫描控制技术的研究，并用于电子束焊接过程中应力和变形的动态控制，降低了试件的焊接残余应力，从而减小最终变形。上海交通大学曾对扫描轨迹可控的电子束加工技术进行研究，初步实现了扫描方式的灵活控制，并尝试进行了一些相关的试验，但由于试验设备等条件的限制，比较侧重于理论方面的验证和控制平台的搭建，相应系统有待于进一步优化和完善，工程应用研究也有待于进一步的开展。电子束“毛化”技术

自发明电子束“毛化”技术以来，英国焊接研究所在该领域开展了大量的研究工作，开发了成熟的电子束“毛化”设备，而且在工艺研究方面也取得了长足的进步。通过控制电子束的工艺参数(包括电子束的加速电压、电流和聚焦)，加上特殊的扫描波形，即可在不同的金属（如不锈钢、钛合金及铝合金等）上产生各种不同的表面，包括高宽比大的尖峰突起、蜂窝结构、无毛刺的孔穴、刀刃、通道、旋涡和网纹。

对任何纹理的结构，都可以通过改变尺寸、形状、入射角和特征分布来定制客户所需的表面。目前已经成功制备尺寸从10μm~20mm的毛刺。图2是电子束毛化的几种表面形貌。该技术不仅能够加工其他工艺无法实现的表面造型，而且在真空操作下可以避免表面污染。

在国内，有关电子束“毛化”技9术的研究刚刚起步，北京航空制造工程研究所在现有电子束焊接设备和电子束加工技术的基础上率先开展研究，通过分析电子本文由振动流化床干燥机http://czcbgz.com 双锥回转真空干燥机czcbgz.com 联合整理发布 束“毛化”技术的原理，设计了快速偏转扫描线圈，搭建了电子束扫描控制系统，实现了电子束“毛化”技术，并在不同的金属表面产生不同的毛化形貌，见图3。3 电子束快速成型技术

相对于激光及等离子快速成型，电子束快速成型出现较晚，但自2001年瑞典Arcam公司确立电子束快速制造技术以来，该技术凭借在粉末近净成型精度、效率、成本及零件性能等方面的独特优势，在国外很快成为研究前沿。美国北卡罗来纳州大学、英国华威大学、德国纽伦堡大学、波音公司、美国Synergeering集团、德国Fruth Innovative Technologien公司及瑞典VOLVO公司积极开展了相关研究工作。研究表明，EBM能显著地减少生产时间并降低生产成本，尤其适合形状复杂金属部件的小批量生产，任何外表奇异复杂的金属部件都可以一次快速成型。其技术与设备被用于生产零部件的直接制造业，并在航空制造、汽车制造、医疗植入物及模具制造等领域均有出色表现。

目前，国内航空航天、汽车及生物医学等领域对复杂结构及多孔结构有巨大需求，但由于电子束快速成型设备及工艺还不成熟，暂时无法满足航空航天高性能复杂零件实际应用要求。清华大学进行过电子束选区快速成型技术研究，并购买了1 台中压的国产电子束设备，将其真空室进行改造，增加Z 向工作台，安装铺粉系统，利用电磁场的控制使电子束按照预定的轨迹进行逐行扫描，从而实现简单的三维零件的快速成型。由于束流品质（如束斑品质、束流稳定性、聚焦效果等）的影响，电子束扫描控制的精度和灵活性还有待进一步提高，制作试件的质量检测和力学性能也正在研究中。

快速扫描电子束加工技术的应用 多束流电子束加工技术

多束流电子束加工技术主要应用于多束流焊接技术，用于提高焊接效率，减少焊接变形，改善难熔易裂材料的焊接性、焊缝性能等。多束流电子束的应用可以方便、迅速（通过电磁场非接触地控制几乎没有质量的电子运动）地调节电子束加工过程中的热量分布，从而对其力学过程和冶金过程进行动态控制，减小应力和变形，防止焊接过程中的热裂倾向，形成高质量的加工部件。图4是德国Pro-beam 公司采用3束电子束同时焊接的实例，结果表明与单束电子束焊接相比，此种方式可以明显减小齿轮焊接变形，而且大大提高了加工效率。

另外，多束流电子束加工技术还可用于异种材料的连接：通过调节不同位置的停留时间，控制在不同区域的能量输入。例如，接头一边的材料熔化，而另一边的材料仍处于加热状态（扩散焊），这样就可以实现固态不完全熔化的异种材料的有效连接。可见，多束流电子束加工技术在多方面都有很大的应用潜力。电子束“毛化”技术

英国焊接研究所正在研究将电子束“毛化”技术应用到金属与的连接技术上，将这种技术称为Comeld技术。该技术先通过电子束“毛化”在金属表面上形成毛本文由振动流化床干燥机http://czcbgz.com 双锥回转真空干燥机czcbgz.com 联合整理发布 刺，预处理后将复合材料置于金属上，通过加温、加压共同固化，即可得到这种金属和复材连接的Comeld接头，如图5 所示。

根据TWI的研究，这种Comeld接头比传统的同尺寸接头能承受更高的载荷，断裂前吸收的能量也远高于后者，而且可以通过优化毛刺的结构及分布形式提高这种接头的韧性。此项技术在未来金属与复合材料连接领域有着重要的应用。

另外，电子束“毛化”技术还可以用在金属材料的表面改性如涂层制备上，如图

6、图7所示。这种表面处理技术在促进基质与涂层的粘合方面具有非常广阔的应用前景。它可以通过增加表面粗糙度来增加涂层附着力，避免分层。毛刺的形状与尺寸可以影响涂层的微观组织，甚至可以改变涂层表面上的裂纹生长机理。同时，凹入特征改善了同邻接部件的机械互锁，而突出特征有助于关节界面均匀分布应力。该技术的灵活性还可应用于定制特殊表面，例如，将突起特征排列在最大应力的方向，或者改变结构特征的密度使部件上应力均匀分布。由于该工艺在真空下完成，生成的表面非常洁净，有助于连接应用。3 电子束快速成型技术

电子束快速成型技术一经面世即引起各国众多科研机构以及制造业界的高度重视，目前已有美国、德国、意大利及日本一些高技术公司和科研机构将该技术用于机械制造业以及航空航天、汽车和医疗植入器材等领域。美国Calcam公司采用电子束快速制造技术制备出了全致密、力学性能优于锻件的Ti6Al4V叶轮部件。瑞典Arcam公司采用电子束快速成型技术制造了特殊的钛合金点阵结构及复杂的部件，见图8和图9。

国内在无法获得设备及相关技术的条件下进行自主开发研究，在钛合金电子束快速成型研究方面取得了较大的进展。西北有色金属研究院多孔材料国家重点实验室开展了电子束快速成型工艺的研究工作，在钛及钛合金复杂结构及多孔结构的电子束快速制造工艺、应力及变形控制方面积累了实践经验，并制造出复杂的钛合金叶轮样件。

结束语

快速扫描电子束加工技术在国外已经相当成熟，在航空航天、汽车、医疗等方面的应用也越来越广泛。国内众多研究单位进行的一系列基础理论和应用研究为快速扫描电子束加工技术的发展奠定了基础，尤其是近几年随着控制技术的发展，快速扫描电子束加工技术在国内发展迅速，已经逐渐应用到工程实践中，进一步推动了国内精密制造技术的发展。(end)文章内容仅供参考()()(2010-8-27)

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第二篇：如何探索快速制造机床技术应用发展之路

如何探索快速制造机床技术应用发展之路 快速原型(RapidPrototyping，RP)制造技术产生20多年来，基于“离散-堆积”原理和增材制造的方法，具有高度柔性的制造思想已经被企业界广泛接受，其应用已从最初的设计原型和测试原型制造向最终产品制造的方向发展。这项技术已经扩展为快速制造(RapidManufacturing，RM)[1-4]。快速制造作为一种新的生产模式，可分为直接快速制造与间接快速制造两大类。其中，直接快速制造指的是通过快速制造直接完成功能零件或具有完全功能的结构件；间接快速制造是指通过RM完成工、模具制造，再采用工模具进行零件的制造，又称快速工模具制造(RapidTooling，RT)。本文主要讨论零部件的直接制造。

全球范围的厂商纷纷采用RP和RM技术来简化产品的开发过程，提高生产效率，增强产品竞争力，RP和RM技术呈现波浪式前进的势头。从国际市场来看，RP市场正逐渐向RM市场发展，RP市场本身已进入成熟的商业化阶段，各种工艺以及相应的设备均具有比较固定的应用对象，有关RP设备制造厂商和RP技术服务厂商各在其领域内有相当程度的知名度，如美国的3DSystems、Stratasys、ZCorp公司，德国的EOS公司，以色列的Objet公司，瑞典的Arcam公司等；而RM技术日趋成熟，明显具有潜在的市场，已开始引发生产厂商极大的重视，RM技术的每一点进步都被他们收入眼帘，并且对于其产品化的前景给予关注，RM技术已处于形成新产业的前夜。上述RP领域的知名公司，相当一部分亦开发出属于RM领域的新技术、新工艺和新设备。

中国的RP市场已经度过了启蒙期，正处于快速发展的阶段，国内众多用户群为国外RP厂商所艳羡，纷纷寻找商机进入中国市场。从第十届北京国际机床博览会反映的情况来看，南方市场和华东市场的发展最为迅速；北方以北京为RP和RM科技研发中心，既促进了此领域技术的高速发展，亦带动了对于RP设备的需求。业界一般认为，目前国内RP行业的规模大约从2000年占全球的1%，发展到2007年的5%左右，发展势头远远快于国际平均水平。其中国产RP设备在国内市场份额进一步提高，并且已经有出口记录，表明我国民族RP产业在健康地发展。在国际RP领域知名的美国WohlersAssociatesInc公司按年出版的WohlersReport中，自2002年起，在RP设备制造厂家列表中，开始引入中国RP公司的名字，至2006年，共引入6家公司的名字，涵盖25种不同类型及型号的设备，列表中我国公司的数目排在美、日之后，列第三位[5]。

相比之下，我国的RM技术受重视的程度较差，一方面相关研究的投入不够，仅由国家自然科学基金对部分项目给予资助，而资助力度仅够完成一些原理性的研究，无法向产品化、产业化的方向发展；另一方面，相关的普及工作也做得不够，许多人都认为，RM所需的投入大，见效慢，技术的成熟度低，不能很快用于实际。

第三篇：浅谈先进制造技术在手机制造领域的应用

《先进制造技术》大作业

浅谈先进制造技术在手机制造领域的应用

手机作为一种消费级的工业产品，其在现代人们生活中不可或缺的作用日益凸显。由于有了计算机长期及迅猛的发展作为铺垫，与其有异曲同工之妙的手机在其基础上得到了让人惊讶的发展速度。在手机发展之初，它只是作为一种通讯用具而被人们接受，但是现在，日常休闲，网上购物，证券交易，出行旅游，信息检索，它几乎延伸到了人类生活的绝大所数领域。在人们对手机需求急剧上升的年代，生产商不得不使用更尖端的制造技术、设计理念及先进工艺来满足广大消费者多样化的需求。基于这样的现状，先进制造技术被更广泛的采用于手机制造领域。

在现在所风靡的高端机型几款高端机型中，其所用到的先进成型技术及制造工艺虽然远未达到其它机械行业例如航空航天工业所用到的尖端技术层面，但其在外壳成型及表面处理、新型材料应用方面已经站在了现代制造业的前沿，更在消费者所要求的轻、薄、美观方面超出了人们的想象。

在手机的外壳制造方面，应用最多的成型技术就是对金属材料的高精密切削加工和对塑料材质的注塑成型技术。台湾手机品牌HTC是现代手机制造业的一个典范，其手机以精湛的制造工艺，稳定的性能，成为全球最大的手机制造商之一，镁铝合金的外壳是用一整块金属板整体切削得到的，而其坚硬的外表显然不是金属原来的特性，HTC采用了独特的金属陶瓷（ceramic metal）技术，这种先进的微弧氧化（micro-arc oxidation）技术使手机不仅有了坚硬的外表，还具有了一种的陶瓷似的质感。而现在最具影响力的苹果在加工手机外壳时却采用了激光切割技术，这种先进的金

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属加工技术使其手机具备了极小的接合缝隙和浑然一体的视觉感受。在高分子材料注塑成型领域，诺基亚明显有了超越其它公司的先进技术，在其最新的lumia系列手机中，大多采用了一种新型的碳酸聚酯高分子材料，喷射注塑而成，这种一体式的注塑工艺让整个手机具有了金属的质感和整体的设计风格。

在早期的手机制造业，所采用的大多为表面磨砂处理来达到防刮伤的能力，而现在，表面复层技术已被广泛的应用于手机制造业，各种复杂的图层技术已经被应用于手机制造业，包括能提供多种颜色的钢琴烤漆，对金属进行表面氧化的硬化技术，复合材料的表面涂层技术。在摩托罗拉的一款新的旗舰级手机上，采用了一种具有耐高温，韧性好，燃烧时无烟、毒，耐腐蚀，防滑等特点的凯夫拉图层，是经过长达四个小时的烘烤将其镀在手机外壳上，这种在军事上广泛应用的防泼水纳米涂层技术，是首次应用于手机制造业，防泼水纳米涂层具有一流的抗液性能，以及防污特性，技术处理过的设备可以延长电池使用寿命并且连续工作，远远胜过未经处理的设备。使用此技术处理过的材料与未经处理的材料相比，可以减少长时间手持情况下颜色的污染，有助于大量浅色设备保持原色。这种技术提升了手机的实用性，以及在恶露环境下工作的稳定性。

随着全球市场一体化的形成，手机制造业的竞争更趋激烈，产品开发的速度和能力已成为市场竞争的实力基础。国内林林立立的手机制造厂商为了能在这激烈的竞争中或得一席之地，反求工程和快速原型制造技术成为了不和或缺的技术。生产厂商凭借反求工程可以快速的将市场上风靡机型的外壳完全复制下来，并且凭借快速原型制造技术将这种外壳快速进入

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大规模生产，从而在原版机型进入内地市场之前进入市场。这两种技术在手机制造行业市场竞争中的作用可见一斑。总之，快速成型技术将发展成为一种能被企业普遍采用的技术手段，给企业和社会带来了巨大的经济效益。

华为技术北美交付副总裁的罗德威博士(David D.Lu)说，“从手机制造的方面来说，如果我们比别人先六个月到一年引进一种创新技术或设备，可能就会在产品销售方面领先一步。” 展望未来手机制造行业的发展，更多的先进制造技术将会被应用，模块上的高密组装和微组装工艺技术、选择性焊接技术、创新性手机组装技术、RPRT集成制造系统，这些新近提出的手机制造技术已经被各大制造商重视，并且开始进入研究和试用阶段，相信这些新的制造技术能给手机制造行业带来巨大的变化。

在第七届中国手机制造技术论坛上，着重研究了以下几点对于手机制造方面的问题：

 未来手机新技术应用以其对生产工艺的影响；

 手机制造过程常见问题分析改善；  手机生产工艺及

DFX；

 手机关键制造技术与工艺提升：SMT、焊接、检测、PCB、生产材料、软件管理，等；

 手机生产工艺提升与生产管理案例分析等

国家手机制造业已经对先进制造技术应用于手机制造行业做出了足够的重视，并且身体力行的将其实施于手机制造行业，行业互补的能力既带

《先进制造技术》大作业

动先进制造技术的发展也带给手机制造行业在行业中的竞争力和手机制造工艺的快速发展。

参考文献

1，陈峰，快速原型制造在手机外壳制造中的应用【期刊论文】-轻工机械

2，中国手机制造技术论坛 3，中关村手机论坛

第四篇：CAM技术在汽车制造行业应用

CAD/CAM技术在汽车制造

行业中的应用

课程：CAM与自动编程姓名:学号:

日期: 2012年12月

一、CAD/CAM技术概述

CAD/CAM是先进制造技术中的重要组成部分。其中，CAD 是Computer Aided Design的英文缩写，指计算机辅助设计。狭义的计算机辅助设计是指采用计算机开展机械产品设计的技术，主要应用于计算机辅助绘图（Computer Aided Drafting），广义的计算机辅助设计指借助计算机进行设计、分析、绘图等工作，包括几何建模、装配及干涉分析DFA、制造性分析DM、产品模型的计算机辅助分析CAE等等。CAM即Computer Aided Manufacturing，指计算机辅助制造，狭义上指计算机辅助编程，即一个从零件图纸到获得数控加工程序的全过程，主要任务是计算加工走刀中的刀位点(Cutter Location Point)，包括三个主要阶段：首先是工艺处理，即分析零件图，确定加工方案，设计走刀路径等：其次是数学处理，即处理计算刀具路径上全部坐标数据；最后是自动编制出加工程序，即按数控机床配置的数控系统的指令格式编制出全部程序。广义上的CAM则还包括计算机辅助工艺规程编制CAPP（Computer Aided Program Planning）和计算机辅助质量控制CAQ（Computer Aided Quality）。

二、CAD/CAM技术的发展

CAD/CAM指的是计算机辅助设计和计算机辅助制造的集成技术，CAD/CAM将设计和工艺通过计算机有机结合起来，直接面向制造，减少中间环节。上世纪50年代CAD技术处于被动式的图形处理阶段。60年代计算机图形学、交互技术、分层存储符号的数据结构等新思想被首次提出，从而为CAD/CAM技术的发展和应用打下了基础。60年代中后期出现了许多商品化的CAD设备。1970年美国Applicon公司第一个推出完整的CAD系统，出现了面向中小企业的CAD/CAM商品化系统。到了80年代，CAD/CAM技术迅猛发展，CAD/CAM技术从大中企业向小企业扩展；从发达国家向发展中国家扩展；从用于产品设计发展到用于工程设计和工艺设计。90年代，CAD/CAM技术进入了开放式、标准化、集成化和智能化的发展时期，图形接口、图形功能日趋标准化。

我国开展CAD/CAM技术应用工作在上世纪70年代，并不算晚；通过引进，不少企业的软、硬件条件与国外相比也相差不大。但是，国内的CAD/CAM应用与国外先进水平相比存在较大的差距。由于采用CAD/CAM技术投资大，有较大风险，效益回报有一定的滞后期，所以在原有经济体制下难以推广。在过去，由于条块分割，重复引进，企业相互之间缺乏必要的交流和协作，影响了CAD/CAM技术效益的发挥。另外，人才培养的不足也影响了在我国的发展，福特等企业之所以CAD/CAM技术应用得好，是因为得益于几十年来一直大力开展CAD/CAM应用而积淀下来的宝贵经验以及培养出了一支高水平的技术队伍。

三、CAD/CAM技术在汽车工业的应用状况

美国福特汽车公司在CAD/CAM技术方面处于领先地位。早在80年代初，福特公司就着手CAD/CAM系统的规划，建成了以工作站为主体的环形网络系统；1985年已经有一半以上的产品设计工作使用图形终端实现；1986年新开发的TAURUS和SABLE轿车，大约70%的外钣金件使用CAD/CAM;90年代初全面实行产品开发的CAD/CAM应用率可达100%。福特公司1990年工作站已达2000台，以FGS工作站(约占70%)和CV工作台(约占18%)为主，其应用

软件主要为自行开发的PDGS和CAD/CAM。1993年以后，福特汽车公司提出了C3P(CAD/CAE/CAM/PDM)概念，并决定今后将采用I-DEAS软件作为其主流核心软件。德国各大汽车公司普遍采用CATIA作为其CAD/CAM系统的主导软件。1994年，德国大众集团决定用CATIA和Pro/Engineer作为其将来开发新车型的主导CAD系统。法国雷诺汽车公司应用Euclid软件作为CAD/CAM的主导软件，目前已有95%的设计工作量用该软件完成，并开发出很多适合汽车工业需求的模块，如用于干涉检查的Megavision,用于钣金成形分析的OPTRIS等。日本三菱汽车公司1960年从冲模的NC数控加工着手，以CAD/CAE/CAM为动力，对从设计到制作的各项工程踏踏实实地进行了改革，至今，已形成了从车型款式设计到车身组装的新车型开发的完整的CAD/CAE/CAM系统。

我国的CAD/CAM工作始于70年代，发展迅速，已取得了良好的经经济效益。少数大型企业，如一汽、二汽等，已建立起比较完整的CAD/CAM系统，其应用水平也接近国际先进水平。汽车工业是我国国民经济五大支柱产业之一。汽车车身模具是车身制造技术的重要组成部分，也是形成汽车自主开发能力的一个关键环节。在汽车新车型的设计调试直至投产的整个周期中，模具设计和制造约占三分之二的时间，汽车覆盖件模具作为车身生产的重要工艺装备，直接制约着汽车的质量和新车型的开发周期。汽车覆盖件不同于一般的冲压件，它具有曲面多、尺寸大、材料薄、结构形状复杂、精度要求高等特点，其模具制造技术难度大、成本高、开发周期和质量都难以控制。CAD/CAM技术作为一种现代设计制造方法，把它引入汽车覆盖件模具生产实际中，可以大大缩短汽车开发周期，提高生产效率和市场竞争力。

在上世纪末期，CAD/CAM技术就在上海汽车公司的汽车开发方面得到了很好的应用。汽车结构的设计,主要是零部件的设计及装配设计。由于汽车零件不仅多, 而且形状复杂,自从CAD技术引进之后,传统的手工绘图已基本过时。三维建模二维出图的CAD方式,目前在汽车设计行业中占绝对主角。CAD软件一般都具有丰富的建模能力,主要分曲面建模和实体建模两大类曲面建模就是用曲面表达物体的形状, 这种建模方式适于车身这类复杂曲面形状的钣金件设计。实体建模就是过几何体布尔运算得出物体形状,这种建模方式适于底盘零部件的设计一些软件还应用工程概念提供特征建模功能,可直接生成孔,摘、抽薄壳,拔模角等。当然, 现代的CAD软件一般都兼备多种建模方式,只是各自优势不同。模型生成之后,工程师可在计算机屏幕上随意旋转设计模型,从各种不同的角度观察物体,对产品形状进行分析修改,最终得到形状、尺寸满意的零件数模。三维建模完成后,可以立即转入图纸生成方式,计算机会自动将三维模型投射成所需的各种视图,工程师只要选择图纸幅面,然后合理安排各视图。再进行尺寸标注,增加技术要求,填写明细栏等图纸完善工作。即可输到绘图机上绘制出干净整洁的工程图纸。当然，CAD应用之初,许多人对CAD的理解为用计算机出图纸。但对现代的CAD技术来说,这种看法是片面的。CAD的实质是辅助设计者进行产品设计,设计者用三维建模表达出设计思想后,相当于拥有了一个虚拟的样品,不仅可观察其形状,更可用它做一项重要的工作—盛拟装配。对于汽车这一复杂的产品, 教以万计的零部件要完全正确装配,除了制造上的要求,设计的合理也是至关重要的。零部件的三维建模正是度拟装配的得力助手,它不仅能带助设计者了解零部件的空间位置关系,还能通过一些机构分析软件,如ADAMS等了解零部件在使用过程中的运动情况,观察零部件在工作状态是否会出现运动干涉。可以说，在产品生产出来之前，设计者就能了解零部件的情况工作，对设计很有帮助。

在设计开发过程中,为了实际观察零部件的具体形状,而不仅仅是在屏幕上看到零件的图形,往往要试加工出零件,目前在世界上各大汽车厂都还保留着用木头,塑料等易成型材料手工制作模型的手段但是现在,通过用快速成型及数控加工等现代技术,尽快加工出零件进行形状分析及尺寸检查已越来越普及地得到应用。另外,更为重要的是,CAM加工出的模型,今后可以直接用来翻制模具,可节约模具制作的成本。

除了能够进行汽车的开发与设计工作，CAD/CAM技术还在汽车覆盖件模具的设计制造方

面得到了广泛的应用。一般情况下，一个基本车型全套模具的设计制造周期长达4年之久，因此汽车覆盖件模具的开发生产是汽车新产品开发的决定性环节。应用CAD/CAM/CAPP集成技术是保证模具设计、加工质量和提高生产效率最有效的途径。为适应汽车工业的发展．国外模具厂已普遍采用CAD/CAPP/CAM集成技术进行模具设计制造。大大缩短了模具设计制造周期，降低了成本。世界上较著名的汽车制造公司都有自己的模具CAD/CAM/CAPP系统。如美国AUTODIE公司采用了CAD/CAM/CAPP系统后。一种车型覆盖件的模具设计与制造只需要8个月左右。经过几十年的努力．我国一些大型汽车模具制造厂家已经广泛采用DNC/CAD/CAM等先进制造技术，取得了长足的发展。但与国外相比存在很大的差距。各项技术的相互独立，造成生产力低下，一些关键的汽车覆盖件模具仍然依靠国外来设计制造。因此，汽车覆盖件模具CAD/CAPP/CAM集成技术的应用已成为国内工业界和学术界研究的重点。

（1）汽车覆盖件的要求与特点

汽车覆盖件是指构成汽车车身或驾驶室、覆盖发动机和底盘的薄金属板料制成的异形体表面和内部零件、车身以及驾驶室的全部外部和内部形状都是由汽车覆盖件组装而成；由于汽车覆盖件属于外观装饰性零件，它不仅要满足结构上的功能要求，更要满足表面装饰的美观要求。因此对表面质量要求很高，表面必须光顺，不允许有任何皱裂和拉痕等缺陷，任何微小的缺陷都会破坏外形的美观。这给覆盖件成形的关键工序--拉延--提出了很高的要求，而传统的手工设计制造方法难以保证拉延件的质量，这也是车身制造技术的难点和关键所在。此外，汽车覆盖件又是封闭薄壳状的受力零件，当汽车高速行驶时，如果覆盖件刚性分布不均匀，刚性较差部位受到震动会产生空洞声，从而产生较大噪音。因此在拉延成形时，我们必须克服由于塑性变形的不均匀性而产生的覆盖件刚性分布不均匀。除此之外，由于汽车覆盖件多为空间立体曲面，还具有形状复杂、结构尺寸大、材料薄等特点，所有这些，都对汽车覆盖件模具设计和制造提出了特殊的要求。

（2）CAD/CAPP/CAM技术在汽车覆盖件模具设计制造中的应用

CAD/CAPP/CAM技术以计算机和数控机床为主要设备，以覆盖件的数学、力学模型为依据，在模具设计、成形分析及制造技术各环节中直接发挥作用。

汽车覆盖件模具设计，主要包括工艺设计和结构设计。工艺设计主要是指汽车覆盖件的三维设计以及工艺补充面的三维设计，工艺设计主要解决曲面造型问题，由于汽车覆盖件空间曲面多、形状复杂，因此这个过程技术难度较高。而结构设计是依据工艺设计的结果，设计模具具体部件，对这个过程要求速度快、效率高，要解决上述问题，必须借助先进的计算机辅助设计CAD技术。汽车覆盖件模具的制造过程中，采用计算机辅助制造CAM技术具有加工精度高、生产周期短等优点。传统的车身开发是以实物模型来表示车身表面的几何信息，这样，在传递过程中，很容易发生模型变形、数据传递误差、误差积累等诸多问题，严重影响车身覆盖件模具的制造精度。同时延长生产周期，采用CAM技术制造模具，省略了制造工艺模型这一环节，首先是按产品图或数据表把零件的特征点元素输入计算机，利用软件提供的曲线-曲面功能建立零件表面的数学模型，从而生成数控加工所需的刀具轨迹文件，用来控制数控机床的运动，加工出所需的零件表面，由于加工过程是基于高准确性的计算机模型，从而减少了产生制造误差的因素，提高了制造精度。

对于一个已掌握CAD/CAM技术的厂家，更加关心的则是冲压件能否成形，产品质量能否合格，但这往往是难以预知的，由于汽车覆盖件形状复杂，冲压成形过程中板材成形性难以预先估计，模具设计正确与否无法事先知道，模具加工完成以后问题才会暴露出来，这样给模具调试带来很大困难，计算机辅助工程,CAM技术可以协助CAD/CAM对冲压成形过程进行模拟，对实际冲压件的成形性进行分析，及早发现问题，并通过计算机模拟改进模具设计，从而大大缩短模具调试周期，降低制模成本。

采用CAD/CAM技术和各种数控机床及三坐标测量仪相结合，使汽车覆盖件模具的开发制

造呈现前所未有的面貌，模具精度大幅度提高，模具寿命延长，2倍以上，模具开发周期较原来缩短3倍以上，开发制造的成功率也大幅度提高。

汽车覆盖件模具CAD/CAM技术必然会朝着智能化、专业化、集成化方向继续发展。为了真正实现汽车覆盖件模具设计制造的自动化，必须开展智能化研究工作，把总结出来的以往设计、制造中的成功经验应用到模具设计中去，形成计算机里的知识库和智能库，并采用检索、修订、创成等混合决策技术和多智能体技术的综合智能化，从而形成基于知识的智能化交互式系统框架，真正实现先进性和实用性的要求。在未来几年里，对国外先进的CAD/CAM软件进行二次开发，使之更加专业化，也将是许多模具厂家的经济可行的选择。此外，汽车覆盖件模具设计制造过程是一个信息处理、交换流通和管理的过程，将CAD/CAM技术有机地集成在一起，能够更好对设计和制造过程中信息的产生、转换、存储、流通管理进行分析和控制，从而实现效益最大化。一些发达国家在这方面的应用技术已经相当成熟，我国在这方面的研究也已取得一定的进展，但还未进入实质性的应用阶段，在接下来的时间里CAD/CAM的系统集成技术也必然在我国得到广泛应用。

结束语：

CAD/CAM技术是制造工程技术与计算机技术紧密结合、相互渗透而发展起来的一项综合性应用技术，具有知识密集、学科交叉、综合性强、应用范围广等特点。CAD/CAM技术是先进制造技术的重要组成部分，它的发展和应用使传统的产品设计、制造内容和工作方式等都发生了根本性的变化。CAD/CAM技术已成为衡量一个国家科技现代化和工业现代化水平的重要标志之一。在汽车覆盖件模具设计制造过程中引入CAD/CAM技术，不仅提高了模具设计质量，而且缩短了模具制造、调试周期，降低了制模成本。随着科研人员的不断努力，许多新技术、新设备、新工艺将陆续投入到生产实际中，从而缩短与国际先进水平的差距。而汽车覆盖件模具CAD/CAM技术的不断成熟必将推动我国汽车工业的进一步发展。

CAD/CAM技术给制造行业带来了巨大变革，使传统的制造业发生了质的飞跃，在全球范围内受到普遍关注和重视，在这一时代背景下，我国机械制造业要想跟上时代的步伐，必须把握好机械CAD/CAM技术的正确发展方向，更加深入的应用CAD/CAM技术。在国家举措的推动下，我国机械制造企业要重视CAD/CAM技术的推广应用，把CAD/CAM技术视作企业发展的关键，不惜代价投入资金、引进人才。科研单位要紧跟世界潮流，跟踪国际动态，并结合我国国情及规范，面向国内生产单位，开发出具有我国特色的CAD/CAM产品。不断加大科技创新力度，使我国的CAD/CAM产品更加方便实用，成为世界先进产品。

参考文献：

［1］《客车车身覆盖件的设计与制造》 周方寿 机械工业出版社，1998

［2］《汽车覆盖件模具CAD技术的应用与发展》 王洪俊 机械工业出版社，2000［3］《汽车车身制造工艺学》 邓仕珍 北京理工大学出版社，2001

［4］ 《CAD/CAM技术在工程设计中的应用》 周激流,何其超编

［5］ 《CAD/CAM应用技术》 汤德忠 李正吾编著 机械工业出版社，1988

第五篇：ANSYS复合材料仿真分析及其在航空领域的应用（本站推荐）

ANSYS复合材料仿真分析及其在航空领域的应用

作者：孟志华

复合材料，是由两种或两种以上性质不同的材料组成。主要组分是增强材料和基体材料。复合材料不仅保持了增强材料和基体材料本身的优点，而且通过各相组分性能的互补和关联，获得优异的性能。复合材料具有比强度大、比刚度高、抗疲劳性能好、各向异性、以及材料性能可设计的特点，应用于航空领域中，可以获得显著的减重效益，并改善结构性能。

目前，复合材料技术已成为影响飞机发展的关键技术之一，逐渐应用于飞机等结构的主承力构件中，西方先进战斗机上复合材料使用量已达结构总重量的25%以上。飞机结构中，复合材料最常见的结构形式有板壳、实体、夹层、杆梁等结构。板壳结构如机翼蒙皮，实体结构如结构连接件，夹层结构如某些薄翼型和楔型结构，杆梁结构如梁、肋、壁板。此外，采用缠绕工艺制造的筒身结构也可视为层合结构的一种形式。

一.复合材料设计分析与有限元方法

复合材料层合结构的设计，就是对铺层层数、铺层厚度及铺层角的设计。

采用传统的等代设计（等刚度、等强度）、准网络设计等设计方法，复合材料的优异性能难以充分发挥。在复合材料结构分析中，已经广泛采用有限元数值仿真分析，其基本原理在本质上与各向同性材料相同，只是离散方法和本构矩阵不同。复合材料有限元法中的离散化是双重的，包括了对结构的离散和每一铺层的离散。这样的离散可以使铺层的力学性能、铺层方向、铺层形式直接体现在刚度矩阵中。有限元分析软件，均把增强材料和基体复合在一起，讨论结构的宏观力学行为，因此可以忽略复合材料的多相性导致的微观力学行为，以每一铺层为分析单元。

二.ANSYS复合材料仿真技术及其在航空领域应用

复合材料具有各向异性、耦合效应、层间剪切等特殊性质，因此复合材料结构的精确仿真，已成为现代航空结构的迫切需求。

许多CAE程序都可以进行复合材料的分析，但是大多程序并没有提供完备的功能，使复合材料的精确仿真难以完成。如有些程序不提供非线性分析能力，有些不提供层间剪切应力的求解能力，有些不提供考虑材料失效破坏继续计算能力等等。ANSYS作为一款著名的商业化大型通用有限元软件，广泛应用于航空航天领域，为飞机结构中的复合材料层合结构分析提供了完整精确的解决方案。

1.复合材料的有限元模型建立针对飞机结构中的复合材料层合板、梁、实体以及加筋板等结构类型，ANSYS提供一种特殊的复合材料单元———层单元，以模拟各种复合材料，铺层数可达250层以上，并提供一系列技术模拟各种复杂层合结构。复合材料层单元支持非线性、振动特性、热应力、疲劳断裂等各种结构和热的分析功能和算法。

2.复合材料的层合结构定义：

■铺层结构：ANSYS对于每一铺层可先定义材料性质、铺层角、铺层厚度，然后通过由下到上的顺序逐层叠加组合为复合材料层合结构；也可以通过直接输入材料本构矩阵来定义复合材料性质。

■板壳和梁单元截面形状：ANSYS利用截面形状工具可定义矩形、I型、槽型等各种形式；还可以定义各种函数曲线以模拟变厚度截面。

3.特殊层合结构的模拟：

·变厚度板壳铺层切断：将切断的某铺层厚度定义为零，即可模拟铺层切断前后的板壳实际形状。

·不同铺层板壳的节点协调：ANSYS板壳层单元的节点均可偏置到任意位置，使不同铺层数板壳的节点在中面或顶面、底面对齐。

·蜂窝/泡沫夹层结构：ANSYS通过板壳层单元来模拟夹层结构的特性，夹层面板和芯子可以是不同材料。

·板－梁－实体组合结构：ANSYS将实体、板壳与梁等不同类型单元通过MPC技术相联系，各类单元的节点不需要重合并协调，便于飞机等复杂结构模型的处理。

4.复合材料有限元模型的检查：复合材料结构模型建立后，可以将板壳和梁单元显示为实际形状，还可以通过图形显示和列表直观地观察铺层厚度、铺层角度和铺层组合形式，方便模型的检查及校对。

5.复合材料层合结构分析ANSYS层单元支持各种静强度刚度、非线性、稳定性、疲劳断裂和振动特性等结构分析。完成分析后，可以图形显示或输出每个铺层及层间的应力和应变等结果（虽然一个单元包含许多铺层），根据这些结果可以判断结构是否失效破坏和满足设计要求。

6.复合材料失效准则ANSYS已经预定义了三种复合材料破坏准则来评价复合材料结构安全性，包括最大应变/应力失效准则，蔡－吴（Tsai-Wu）准则。每种强度准则均可定义与温度相关，考虑不同温度下的材料性能。另外，用户也可自定义最多达六种的失效准则，对特殊复合材料进行失效判断。

7.复合材料结构层间剪切应力：复合材料层合结构的层间剪切应力，几乎完全依靠层间界面的树脂基体承载，很容易导致层合结构的分层破坏，是整个结构的薄弱环节。通常的有限元分析依据经典的层合板理论，各铺层按平面应力状态计算，不考虑层间应力，不够精确。ANSYS可以利用各铺层单元在厚度方向上的叠加来模拟层合结构，弥补了经典理论的不足，可以精确地求解层间应力。

8.复合材料结构热应力分析：复合材料热膨胀系数的各向异性和铺层方向的不对称造成的耦合效应，使复合材料结构即使均匀升温也会在结构内部产生热应力。复合材料这一特性与普通均匀材料大为不同，因此复合材料结构的热应力分析必须引起重视。

■ANSYS的结构－热耦合分析，可以对复合材料在热环境下的热膨胀应力、结构固化成形过程中100℃～200℃的温差而引起的结构固化变形和残余应力进行分析。

■ANSYS程序中的材料性质、强度准则均可以定义为随温度变化，以此来引入温度变化对结构物理性能的影响。

三.复合材料结构屈曲失稳实例

1.工程背景：飞机的复合材料结构中，板加筋结构形式最为常见，如壁板、隔框、翼盒等。通常，飞机的复合材料加筋板的厚度较薄，因此结构分析不仅仅是判断材料的失效破坏和层间剪切破坏，还应该关注结构是否屈曲失稳而破坏。利用ANSYS对某复合材料加筋板的屈曲特性进行分析，并确定结构的极限承载能力。结构壁板和筋条的厚度很小，为典型的板－梁结构，选用ANSYS复合材料板壳单元，同时将单元节点偏置以协调铺层数的变化导致的板结构错层。

2.复合材料结构屈曲失稳理论 复合材料结构的屈曲分析可分为特征值屈曲和非线性屈曲。通常特征值屈曲所得出的结果偏大，不够安全，实际工程中应用较少。非线性屈曲分析可以考虑结构大变形、结构初始缺陷、复合材料失效等实际工况，从而获得更为精确的屈曲临界载荷。特别是结构屈曲失稳之前，部分复合材料有可能已经失效破坏，结构的应力将重新分布并且刚度有所减弱。因此考虑复合材料失效后，结构屈曲荷载将有所降低并接近实际。

3.屈曲分析结果

首先进行特征值屈曲分析，屈曲临界荷载为808.0KN。但是，在考虑结构几何大变形、应力刚化等实际情况后，非线性屈曲的临界荷载降低为770.1KN。再引入复合材料结构失效对非线性屈曲的影响，因为结构部分失效导致应力重分布和刚度减弱，屈曲临界载荷更降低为656.2KN。计算结果与实验结果只相差5%。

4.应用小结

计算过程考虑了结构非线性及材料失效对屈曲临界荷载的影响，实际结果为656.2KN，与试验结果相差仅5%，结果比较精确。而特征值屈曲分析和不考虑材料失效影响的非线性屈曲临界载荷的计算，被证明是不够保守的，难以为复合材料结构屈曲的设计提供准确依据。

四.结论

飞机等航空结构中的复合材料结构仿真分析，越来越强调分析精度和贴近工程实际，如要求计算复合材料层间剪切效应、固化成形后的残余热应力、材料部分失效后的结构屈曲失稳等。ANSYS通过对复合材料的铺层定义材料、铺层角以及铺层厚度，来组成“层单元”，以模拟各类航空复合材料层合结构，可以精确地分析材料的失效破坏、层间剪切效应。另外还可以满足飞机结构中复合材料的非线性屈曲失稳、振动特性分析、以及结构的热效应分析等更多仿真需求。