CAE技术在电动工具行业的应用研究

俞悦

（浙江省金华职业技术学院，浙江金华 321000）

CAE技术在电动工具行业的应用研究

俞悦

（浙江省金华职业技术学院，浙江金华 321000）

近年来，电动工具行业正在引进CAE技术，以用于分析电动工具在强度、机构运动等方面的表现状态，对标准以及规范缺失进行对比研究，由此可见CAE技术在电动工具行业产品设计、开发以及后续改进等方面上的重要意义。本文将对目前电动工具行业CAE技术运用状况进行分析，讨论CAE技术在电动工具行业上的有效应用方法。

CAE技术 电动工具 研究

CAE（Computer Aided Engineering）是指工程设计中的计算机辅助工程，是通过计算机来对复杂工程以及产品结构相关力学性能进行辅助求解和分析，可分析固体、流体以及电磁体等，或者分析动态结构、静态结构、线性问题和非线性问题等，是一门集力学、数学、计算机技术等多门学科的新型综合学科。

此外，作为基于网络的模具CAE技术也由于其现代的协同和面向并行的概念设计理念极其符合模具概念设计的整个过程，因此它也被广泛应用于电动工具行业，促使模具概念设计的效率和质量的明显提高。接下来本文将对电动工具行业的CAE技术进行讨论。

1 CAE技术在电动工具行业的应用意义

电动工具是指将电动机或者电磁铁作为动力，通过传动机构来驱动工作头的一种机械化工具，主要可分为金属切削电动工具、研磨电动工具、装配电动工具和铁道用电动工具，而CAE技术作为一种近似的数值分析方法，就可以用来对电动工具的产品结构强度、刚度、屈曲稳定性进行分析计算以及优化设计。

在传统的电动工具设计过程中，设计人员在完成图纸设计后会先生产一定量的样机来进行相关性能测试，比如跌落、散热等，在测试中如果发现问题将会对图纸模型的相关属性进行反复修改，以保证问题的顺利解决，但是往往此时模具或者相关零件已经批量生产，更改方案受到很多因素制约，不易进行。而通过CAE技术则可以避免以上的时间和成本浪费问题，因为设计人员可以使用CAE技术来建立数字样机，然后进行虚拟性能测试，来评估样机实际应用中可能出现的问题，简单化处理复杂工程，促进电机工具行业的良好发展。

2 CAE技术在电动工具行业的应用现状

首先，电动工具行业对CAE技术应用范围有限，现实中国内多数厂商对CAE技术的应用还处于摸索阶段，CAE技术目前仅在汽车、重型机械和航天领域方面应用较为成功，比如博世、TTI、宝时得等企业都已经组建了自己的CAE技术应用部门，而在其他方面的厂商对CAE技术则还没有形成较为成熟的流程，CAE技术应用面有限。

其次，在电动工具行业中的运用CAE技术是对企业的一个较高要求，它既要求企业有一个有序的运用流程，也要求CAE技术人员较强的专业能力。很多的企业对CAE技术的理解可能仅限于CAE软件，而实际中CAE人员对CAE技术的运用不能仅限于入门，更要清晰地了解CAE技术的研发流程、技术规范、基础技术以及实验验证技术等。

3 CAE技术在电动工具行业的应用方法

3.1 跌落分析

电动工具容易遇到跌落失效，因此对电动工具的跌落进行测试仿真显得非常重要。通过CAE技术，工作人员可以对电动工具的产品结构在跌落时而产生的各种力、变形、位移等进行模拟并作出定量评估，一定程度上降低了产品市场投放的成本和周期。对此，可以采用ANSYS专用的跌落仿真模块Drop-Text来进行仿真操作，也可以采用MSC.Dytran，下面将用后者来进行跌落仿真。

首先，将几何模型输入到划分网格中，采用目前常用的四面体或者六面体网格结合方式来作网格，网格局部设为1毫米，整体大小设为2.5毫米。然后，定义与地面接触的产品初始速度，基于质心应该尽量和地面接触点的联机垂于地面的原则，对接触算法采用对称罚函数法。工程师可以用TTI公司CAE部门编写的跌落分析专用程序界面和执行程序（PCL语言），将其嵌入到Patran软件中来对产品的跌落方向和高度进行定量指定，还可以在材料库中选择产品所需的材料，比如采用刚体单元，以完成对跌落分析的预处理。再者，要讨论对温度的高低对产品的跌落所产生的影响，可以分为高温低温，工况默认为六面三边一角。接着，合理设定分析时间和最小步长，保存单元的应力或者应变结果，得到结果后，将断裂应力或最大变形作为判定该方向是否失效的依据，针对不同电动工具零件，冲击失效模式也会相对改变。

3.2 强度分析

现今对电动工具零件的设计要求越来越高，不仅要求高功率，还强调外形的小巧，这在一定程度上限制了设计人员的发挥空间，借助CAE技术则可以在这种相对较小的空间里面来对电动工具的关键结构进行模拟设计，使得设计人员得以验证产品结构的强度和使用年限是否符合既定要求。

就轴类结构作为典例来进行对其的静态分析。首先自动划分网格，用MSC.Nastran来对载荷、材料、约束等进行相关参数定义，得到对应的应力等级大小。其次，对弹性组件进行疲劳分析，弹性组件比如离合器、弹性接触片等，都需要能够在较长的时间中承受反复的变形，由新的产品品质规格来作为疲劳分析的指标，通过MSC. Fatigue可以对新结构的强度进行仿真分析，从而可以了解该结构是否符合疲劳分析的要求。

3.3 散热分析

电动工具作为一种较高功率的器件，模具空间有限但是电子元件散热量又大，因此散热和温升问题都必须得到有效处理，才能保证电动工具的正常使用，通过设计合理的风道结构可以有效解决该问题。也可以采用流体仿真技术对产品结构的通风散热能力、沙磨类和锯类的吸尘降噪分析、流固耦合来进行分析，可以较快地找出产品结构中的不足之处，使工作人员能够针对性地给出解决方案，促使流道散热性能得以改善，保证电动工具得以正常运行。

4 结语

综上可见，CAE技术对电动工具行业在新时代背景下的长久稳定发展有着重要意义，在设计初期就可以使设计人员及时发现器件设计所存在的问题，在一定程度上减少了之后一系列的成本支出，缩短了模具设计定型时间，减少了试产次数和材质滥用，使电动工具产品得以改善，维持了电动工具行业的健康有序发展状态。

［1］王晓梅，程晓宇.基于CAD/CAE的电动自行车后备箱注射模具设计［J］.价值工程，2012，31（24）：38-39.

［2］郑宇锋，苏传义，谢文才，等.CAE分析在产品设计阶段的应用［J］.锻压技术，2012，37（2）：51-54.

［3］田梦远，张建勋，丁如义，等.CAD/CAE在轴流压缩机机壳铸改焊结构设计中的应用［J］.风机技术，2012，（5）：49-53.