CAE技術在電動工具行業的應用研究

俞悅

（浙江省金華職業技術學院，浙江金華 321000）

CAE技術在電動工具行業的應用研究

俞悅

（浙江省金華職業技術學院，浙江金華 321000）

近年來，電動工具行業正在引進CAE技術，以用于分析電動工具在強度、機構運動等方面的表現狀態，對標準以及規范缺失進行對比研究，由此可見CAE技術在電動工具行業產品設計、開發以及后續改進等方面上的重要意義。本文將對目前電動工具行業CAE技術運用狀況進行分析，討論CAE技術在電動工具行業上的有效應用方法。

CAE技術 電動工具 研究

CAE（Computer Aided Engineering）是指工程設計中的計算機輔助工程，是通過計算機來對復雜工程以及產品結構相關力學性能進行輔助求解和分析，可分析固體、流體以及電磁體等，或者分析動態結構、靜態結構、線性問題和非線性問題等，是一門集力學、數學、計算機技術等多門學科的新型綜合學科。

此外，作為基于網絡的模具CAE技術也由于其現代的協同和面向并行的概念設計理念極其符合模具概念設計的整個過程，因此它也被廣泛應用于電動工具行業，促使模具概念設計的效率和質量的明顯提高。接下來本文將對電動工具行業的CAE技術進行討論。

1 CAE技術在電動工具行業的應用意義

電動工具是指將電動機或者電磁鐵作為動力，通過傳動機構來驅動工作頭的一種機械化工具，主要可分為金屬切削電動工具、研磨電動工具、裝配電動工具和鐵道用電動工具，而CAE技術作為一種近似的數值分析方法，就可以用來對電動工具的產品結構強度、剛度、屈曲穩定性進行分析計算以及優化設計。

在傳統的電動工具設計過程中，設計人員在完成圖紙設計后會先生產一定量的樣機來進行相關性能測試，比如跌落、散熱等，在測試中如果發現問題將會對圖紙模型的相關屬性進行反復修改，以保證問題的順利解決，但是往往此時模具或者相關零件已經批量生產，更改方案受到很多因素制約，不易進行。而通過CAE技術則可以避免以上的時間和成本浪費問題，因為設計人員可以使用CAE技術來建立數字樣機，然后進行虛擬性能測試，來評估樣機實際應用中可能出現的問題，簡單化處理復雜工程，促進電機工具行業的良好發展。

2 CAE技術在電動工具行業的應用現狀

首先，電動工具行業對CAE技術應用范圍有限，現實中國內多數廠商對CAE技術的應用還處于摸索階段，CAE技術目前僅在汽車、重型機械和航天領域方面應用較為成功，比如博世、TTI、寶時得等企業都已經組建了自己的CAE技術應用部門，而在其他方面的廠商對CAE技術則還沒有形成較為成熟的流程，CAE技術應用面有限。

其次，在電動工具行業中的運用CAE技術是對企業的一個較高要求，它既要求企業有一個有序的運用流程，也要求CAE技術人員較強的專業能力。很多的企業對CAE技術的理解可能僅限于CAE軟件，而實際中CAE人員對CAE技術的運用不能僅限于入門，更要清晰地了解CAE技術的研發流程、技術規范、基礎技術以及實驗驗證技術等。

3 CAE技術在電動工具行業的應用方法

3.1 跌落分析

電動工具容易遇到跌落失效，因此對電動工具的跌落進行測試仿真顯得非常重要。通過CAE技術，工作人員可以對電動工具的產品結構在跌落時而產生的各種力、變形、位移等進行模擬并作出定量評估，一定程度上降低了產品市場投放的成本和周期。對此，可以采用ANSYS專用的跌落仿真模塊Drop-Text來進行仿真操作，也可以采用MSC.Dytran，下面將用后者來進行跌落仿真。

首先，將幾何模型輸入到劃分網格中，采用目前常用的四面體或者六面體網格結合方式來作網格，網格局部設為1毫米，整體大小設為2.5毫米。然后，定義與地面接觸的產品初始速度，基于質心應該盡量和地面接觸點的聯機垂于地面的原則，對接觸算法采用對稱罰函數法。工程師可以用TTI公司CAE部門編寫的跌落分析專用程序界面和執行程序（PCL語言），將其嵌入到Patran軟件中來對產品的跌落方向和高度進行定量指定，還可以在材料庫中選擇產品所需的材料，比如采用剛體單元，以完成對跌落分析的預處理。再者，要討論對溫度的高低對產品的跌落所產生的影響，可以分為高溫低溫，工況默認為六面三邊一角。接著，合理設定分析時間和最小步長，保存單元的應力或者應變結果，得到結果后，將斷裂應力或最大變形作為判定該方向是否失效的依據，針對不同電動工具零件，沖擊失效模式也會相對改變。

3.2 強度分析

現今對電動工具零件的設計要求越來越高，不僅要求高功率，還強調外形的小巧，這在一定程度上限制了設計人員的發揮空間，借助CAE技術則可以在這種相對較小的空間里面來對電動工具的關鍵結構進行模擬設計，使得設計人員得以驗證產品結構的強度和使用年限是否符合既定要求。

就軸類結構作為典例來進行對其的靜態分析。首先自動劃分網格，用MSC.Nastran來對載荷、材料、約束等進行相關參數定義，得到對應的應力等級大小。其次，對彈性組件進行疲勞分析，彈性組件比如離合器、彈性接觸片等，都需要能夠在較長的時間中承受反復的變形，由新的產品品質規格來作為疲勞分析的指標，通過MSC. Fatigue可以對新結構的強度進行仿真分析，從而可以了解該結構是否符合疲勞分析的要求。

3.3 散熱分析

電動工具作為一種較高功率的器件，模具空間有限但是電子元件散熱量又大，因此散熱和溫升問題都必須得到有效處理，才能保證電動工具的正常使用，通過設計合理的風道結構可以有效解決該問題。也可以采用流體仿真技術對產品結構的通風散熱能力、沙磨類和鋸類的吸塵降噪分析、流固耦合來進行分析，可以較快地找出產品結構中的不足之處，使工作人員能夠針對性地給出解決方案，促使流道散熱性能得以改善，保證電動工具得以正常運行。

4 結語

綜上可見，CAE技術對電動工具行業在新時代背景下的長久穩定發展有著重要意義，在設計初期就可以使設計人員及時發現器件設計所存在的問題，在一定程度上減少了之后一系列的成本支出，縮短了模具設計定型時間，減少了試產次數和材質濫用，使電動工具產品得以改善，維持了電動工具行業的健康有序發展狀態。

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