基于虛擬樣機技術的真空塔結構設計與強度校核
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- 基于虛擬樣機技術的真空塔結構設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。而在真空狀態下，物質的沸點會下降，進而可以完成精餾分離，這就是真空塔產生并應用于工業上的原因。隨著工業的快速發展，應用于工業上的真空塔裝置也需要越來越高的品質用以輔助工業生產，所以，對于真空塔裝置的設計和生產也變得越來越重要。而對于真空塔的開發，傳統的設計方法是花費很多時間與費用來生產制造出一批真空塔產品模型（稱之為物理樣機），然后進行實驗分析，需要分析產品的功能、性能、可靠度、經濟性等，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品中存在的問題快速、準確的做出修改，以便能讓產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，如何在保證產品質量和性能的同時，還能縮短產品的研發周期、節約研發人力與物力，已然成為了困擾企業的最大難題，在急需解決這類問題的背景下，虛擬樣機技術的出現，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
1.2.1 虛擬樣機技術的功能和特點
虛擬樣機技術（Virtual Prototyping Technology，VPT）是計算機技術高速發展并結合相關工程領域發展需求產生的一種全新的技術方法。集成了包括CAD/CAE/CAM、計算機輔助建模仿真以及虛擬現實技術等先進計算機輔助工程技術[2-3]。VPT 的出現革命性的改變了機械產品的設計方法和流程，減少或摒棄了物理樣機的研制，基于相關理論和數據，以并行設計代替串行設計，從設計之初就從產品的整個生命周期出發，通過對數字樣機無數次的修改、分析、仿真、優化等，進而提高產品生產質量。虛擬樣機技術與傳統設計相比的優勢有以下幾點：
1.縮短研發周期、降低生產成本。企業是以營利為目的，因此在縮短研發周期的同時，生產成本的高低，則直接決定著企業利潤的多少。
2.增強用戶與企業之間交流。顧名思義，虛擬樣機提供的環境一定是虛擬的，這樣用戶不僅可以直接參與設計的過程，監督設計的進度，還可以在產品的設計過程中提出新的要求，這是傳統設計所遠不能及的。
3.有效的協同設計。傳統設計方法往往是現有設計，在設計的基礎上再進行性能的評估。這樣一旦產品不合理，往往需要重新設計。而虛擬樣機技術避免了這樣的問題，設計人員與測試人員可以同時對虛擬樣機進行修改，大大提高了設計質量。
4.多方案的提出。虛擬樣機技術可以在基本滿足設計需求的同時，為用戶提供更多種的選擇方案。
1.2.2虛擬樣機技術的國內外發展狀況
作為一項先進制造技術，虛擬樣機技術自產生之初就受到了全球制造企業的重視，通過近20多年的不斷發展，已經成功在多個制造領域獲得廣泛應用，并不斷推動著現代制造技術的高速發展[4-5]。虛擬樣機技術最成功的應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境下，以無圖紙方式研發生產的，通過引進虛擬樣機技術，實現了最終產品的一次裝配成功。大大降低了 777 飛機的研發成本和研發周期，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大力推廣和應用虛擬樣機技術的科研院所和知名企業數不勝數。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。虛擬樣機技術在美國、德國、日本等制造業發達國家已經得到了非常廣泛的應用，涉及的產品由簡單的自行車到龐大的飛機，應用的深度從簡單的靜力學分析到全系統的全面仿真（Mc Intosh,2006）。
隨著VPT在工業領域內的應用越來越廣泛，相應的VPT 軟件也層出不窮，應用比較廣泛的包括 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 在相關市場的占有率超過百分之五十。
虛擬樣機技術在國內的發展也在不斷展開，虛擬樣機技術在國內最早被用于軍事和航空航天領域，后來對虛擬樣機的應用研究不斷擴大，但主要集中在一些大學、科研院所和大型的制造企業，在很多具體機械產品的設計制造中發揮了巨大的作用。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合清華大學和北京航空航天大學進行了在復雜環境下多任務虛擬試驗系統的研究與開發工作；山西經緯紡機股份有限公司通過和清華大學國家CIMS 工程技術研究中心聯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了相應的虛擬化、軟件化的工作，很大程度上提高了企業的研發效率，為其主要產品的市場化進程奠定堅實基礎；武漢理工大學針對船用起重機在工作工程中的不同階段，結合各階段不同的性能參數，通過 VPT對船用起重機進行了可視化仿真，并在此基礎上完成了對主要參數的分析優化工作[6-7]。
雖然應用的范圍在不斷擴大，但是相比于發達國家，國內的虛擬樣機技術應用研究仍然處于落后的局面，主要體現在：應用的范圍和針對的產品非常有限；對虛擬樣機的研究大多集中在復雜產品的開發上，而此類產品在技術和結構上非常復雜，開發難度非常大；相關產品的技術落后導致產品的更新換代非常緩慢；另外虛擬樣機技術軟件平臺上，很多領域的國產軟件要么功能單一無法滿足設計要求，要么只能依賴國外軟件公司的產品。以上這些因素很大程度的限制了虛擬樣機技術在國內的發展。...
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