Ověřování koncepčních návrhů

Mnozí ze čtenářů znají SimSolid již z minulosti, další se s ním seznámili během seminářů, které na jaře tohoto roku po celé České republice pořádala firma Advanced Engineering, ostatní mají příležitost právě nyní v následujících odstavcích.

Tento nástroj pro strukturální analýzy přinesl do světa pevnostních analýz úplně nový přístup k výpočtům: nepoužívá klasickou výpočetní síť metody konečných prvků, což přináší mnoho výhod jak v samotném výpočtu, tak především v preprocesingu modelu. Zjednodušeně se dá říci, že největší rozdíl mezi MKP metodou a SimSolidem spočívá v tom, že dosavadní řešiče používaly k aproximaci elementy předem daného tvaru (trojúhelníky, čtyřstěny, šestistěny…), u nějž se měnily pouze parametry (délky hran) a byly snadno popsatelné předem danými aproximačními funkcemi, zatímco SimSolid využívá k výpočtům velké obecně tvarované elementy, které jsou popsány za běhu vytvořenými (pro každý tvar jinými) aproximačními funkcemi vysokého řádu, a to nejen polynomickými.

Díky tomu, že jednotlivé elementy jsou poměrně velké a mají obecný tvar, vynechává se při práci se SimSolidem fáze defeaturingu (zjednodušování CAD geometrie) i fáze samotného síťování. Ta je díky tomu, že u obecně tvarovaných elementů neexistují nároky na kvalitu elementů, prováděna plně automaticky bez nároků na uživatele, aby výslednou síť kontroloval nebo editoval. Tato vlastnost může být klíčová pro zvládnutí simulací chování extrémně geometricky složitých dílů a sestav. Takovou složitost může představovat například porézní trámčitá struktura, jež je bez parametrizace v reálném čase pro klasickou MKP prakticky neosíťovatelná.

Další výrazné zkrácení pracovní doby s modelem umožňuje samotný výpočet. Rozdíl mezi trváním výpočtu v klasickém solveru a v SimSolidu se liší podle konkrétní geometrie. Ale obecně se dá říci, že lze dosáhnout rozdílu až o dva řády. Naprostá většina běžných lineárních analýz je na CAD stanici spočitatelná v jednotkách až nízkých desítkách sekund.

Díky těmto významným úsporám času lze analýzy provádět častěji – SimSolid se tak stává ideálním nástrojem pro konstruktéry, kteří v průběhu své práce mohou velmi často, bez znalostí MKP a bez zdržování se s preprocesingem, překvapivě rychle získávat přehled o kvalitě svého dosavadního návrhu a již během fáze konceptu reagovat na výsledky příslušnými úpravami tvarů. Tímto postupem navržený design dílu nebo sestavy má výrazně větší šanci na to, že hned napoprvé obstojí i při detailní ověřovací analýze všech zátěžových stavů, kterou před zahájením fyzických testů nebo výroby provádí výpočtář.

Zkrácení doby věnované preprocesingu zaujalo společnost Andron Handling, která se specializuje na navrhování mechanických zařízení na zakázku. Většina takových zařízení je následně vyrobena jen v jednom kusu nebo maximálně v malé sérii jednotek kusů. Projekt, na který byl SimSolid v této společnosti poprvé použit, spočíval v návrhu manipulačního zařízení pro předního automobilového výrobce. Zařízení musí na malém prostoru přemístit sadu kol z pásové linky na přepravní palety. Při použití klasických výpočetních metod by výpočtáři museli z modelu odstranit přepravovaná kola a nahradit je reakčními silami, odstranit z geometrie sestavy příliš malé díly (podložky, pojistné kroužky, šrouby apod.), zjednodušit geometrii a model osíťovat. V SimSolidu bylo oproti výchozímu nastavení po importu celé geometrie sestavy nutné jen změnit nastavení kvality modelování kontaktů, upravit u několika kontaktů jejich typ, zadat materiály a okrajové podmínky. Výsledné reakční síly se oproti výpočtu v SolidWorks lišily o 1,5 % a lze předpokládat, že výsledky SimSolidu jsou realitě blíže než SolidWorks, a to z toho důvodu, že ve výpočtu nebyly zanedbány hmotnosti lineárních ložisek nebo válců. Tato nepřesnost potvrzuje výsledky benchmarků, které byly při vývoji SimSolidu prováděny na standardizovaných výpočetních úlohách, při nichž SimSolid dosahoval nepřesnosti do 2 % oproti analytickému výpočtu. Simulace celé sestavy o 530 dílech trvala méně než 50 sekund, což Andronu umožnilo provést celou řadu iterativních konstrukčních úprav v krátkém čase.

Zůstaneme-li v oboru automotive, je dalším zajímavým příběhem spojeným se SimSolidem jeho použití ve společnosti Renault. Tam se rozhodli využít tento nástroj při procesu ověřování konceptu návrhu nové generace odlehčené nápravnice. Tento proces byl paralelně prováděn i standardní metodou, díky čemuž máme k dispozici porovnání obou přístupů. Při 3–5 iteracích kontroly návrhu byla celá doba vývoje konceptu zkrácena ze dvou týdnů na pouhý jeden půlden. Rozdíl dosažených výsledků napjatosti od MKP, které však nemusí dokonale přesné, se pohybovala pod 5 %, výjimečně 10 %, což je pro tuto časnou fázi vývoje komponenty naprosto vyhovující. Při vývoji zadní nápravy byla délka trvání časného návrhu zkrácena z jednoho týdne na dvě hodiny a chyba se tentokrát pohybovala vždy pod 5 %. Kromě toho začal Renault využívat SimSolid i pro návrh vlastních manipulačních palet ve výrobě.

SimSolid se používá pochopitelně i v jiných odvětvích od strojírenství přes architekturu a stavebnictví až po biomechaniku. V tomto oboru využívají na Western University of Canada té výhody SimSolidu, že extrémně geometricky složitý CT sken vnitřní struktury kostní tkáně není třeba síťovat a je možné s ním rovnou provádět pevnostní analýzy.

Tak jako u jiných CAE řešení, i u SimSolidu je dobré si ověřit vhodnost metody a nástroje na konkrétní typy úloh. Kromě výše uvedených předností se SimSolid hodí například na velmi rychlé analýzy svařenců, sestav s velkým množstvím šroubových spojení, geometricky složité díly, rozsáhlé sestavy a podobně. S ověřením vhodnosti pro konkrétní aplikace se zájemci z České republiky a Slovenska mohou obrátit na společnost Advanced Engineering.

Vojtěch Rulc

Advanced Engineering

tcurda@advanced-eng.cz

www.advanced-eng.cz

Více o CAE simulacích v konstrukci

Rychlé simulace tvarově složitých dílů a rozsáhlých sestav

Ve dvouminutovém videu se můžete podívat, jak vypadá práce v revolučním nástroji SimSolid, který pro svou práci nepotřebuje zjednodušovat vstupní geometrii ani vytvářet klasickou konečně prvkovou síť. Už zde uvidíte reálnou výpočetní rychlost tohoto nástroje.

Technologie na pozadí SimSolid

Problematiku a úskalí geometrických modelů v kontextu přípravy tradičních FEM sítí a principy technologie SimSolid popisuje tento White Paper.

Detailní popis aplikovaných výpočetních metod – rozšířené Galerkinovy metody a teorie externích aproximací je pak k dispozici zde.

Úvodní webinář a představení systému SimSolid

Zhlédněte technický webinář Kena Welche, spoluautora aplikace SimSolid, a  nechte si ukázat, čím vším se aplikace a použité výpočetní metody odlišují od standardních FEM metod.