Odborně-vzdělávací a zpravodajský portál z oblasti strojírenství a navazujících oborů
Články >> Simulace v konstrukci - klíč k inovacím
Chcete dostávat MM Průmyslové spektrum ZDARMA až do Vaší schránky? Více informací zde.
Nomenklatura: CAD/CAM/CAE/CIM

Simulace v konstrukci - klíč k inovacím

Dlouho zažitým paradigmatem v průmyslových společnostech je striktní rozdělení konstrukčního a výpočtářského oddělení. To je sice určeno pevnými historicky danými důvody, ale ty v současné době začínají pomíjet. Ve stále více společnostech mají konstruktéři možnost provádět průběžně již během konstrukce jednoduché analýzy a vývojový proces tím zefektivnit. Jak tento trend zachytit a být úspěšní v inovativních řešeních?

V současnosti je v mnoha vývojových odděleních zažitý následující proces: Konstruktér podle zadání a vlastních zkušeností navrhne požadovanou komponentu od základního konceptu až do finálního stavu a vytvořený geometrický model předá výpočtáři. Ten musí model pro výpočet metodou konečných prvků osíťovat a vůbec strávit spoustu času jen na přípravě výpočtu. Při prvním ověření se zpravidla zjistí, že komponenta buď nevyhovuje kritériím nebo je silně naddimenzována. S tímto výsledkem je model vrácen konstruktérovi, který provede konstrukční úpravy a celý postup se znovu opakuje, často dokonce několikrát.

Možnosti zefektivnění návrhového procesu

Již na první pohled je patrné, že by se celý proces dal zefektivnit. Časové i finanční ztráty působí především preprocessing výpočetního modelu a opakované iterační kroky. Oběma těmto časovým prodlevám by bylo možné se vyhnout, pokud by konstruktér během své práce svůj návrh průběžně ověřoval. Výrazně by tím zvýšil pravděpodobnost, že geometrie, kterou nakonec výpočtáři pošle, projde závěrečným detailním (virtuálním) testováním už během prvního iteračního kroku a nebude potřeba ji dále nijak upravovat. Na tomto místě bylo možné ještě před několika lety namítnout, že k tomu by konstruktér potřeboval mít znalosti ovládání složitých výpočtářských nástrojů a spoustu volného času na přípravu výpočetního modelu, což pochopitelně běžně nemá.


V-diagram vývoje produktu

Naštěstí dnes již existují výpočetní nástroje, u kterých byl při jejich vývoji kladen důraz na to, aby uživatelské prostředí bylo přizpůsobeno právě konstruktérům a aby uživatel nebyl nucen trávit preprocessingem více času, než je nutné k samotnému zadání úlohy. Toho bylo dosaženo mimo jiné díky vylepšování algoritmů pro automatické síťování, které může probíhat na pozadí, zcela bez zásahu uživatele.


Ukázka výsledků analýzy složité sestavy, jejíž řešení trvá v SimSolidu jen několik desítek vteřin.

Výpočetní a simulační nástroje pro konstruktéry

Při zavádění výpočetních a simulačních nástrojů pro konstruktéry bylo úsilí upřeno především na oblast pevnostní analýzy a optimalizace. Nicméně v poslední době se možnosti těchto nástrojů rozšiřují a uživatel již může analyzovat i vyrobitelnost (případně s ohledem na ni optimalizovat tvar), kinematiku, dynamiku nebo multifyzikální fenomény.

Výběr vhodného softwaru se však nesmí odvíjet jen od množství jeho funkcí. Je nutné dbát i na to, aby používaný nástroj nebyl pouze generátorem téměř náhodných hodnot. Ke správným výsledkům se nelze dobrat při použití nekvalitně generované sítě, jaká je k vidění i v mnoha profesionálních nástrojích. Pro získání přesných výsledků je dobré volit takové nástroje, které stojí na pevných základech plnohodnotných pokročilých solverů a sofistikovaných síťovacích metodách, které pracují s moderními algoritmy a zohledňují jednotlivé geometrické prvky modelu.

Altair Inspire

Ze simulačních nástrojů, které jsou určeny především, ale nikoliv výhradně pro konstruktéry, můžeme jmenovat především Altair Inspire. Ten se zaměřuje právě na pevnostní analýzy a optimalizace. Nad rámec klasické statiky dokáže řešit i kinematiku sestavy a na základě ní odvozovat dynamická zatížení jednotlivých dílů, která pak může použít opět jak k analýze, tak k optimalizaci tvaru a tím zvyšovat tuhost nebo minimalizovat hmotnost dílů nebo sestavy.

Altair prakticky ve všech svých nástrojích určených ke strukturálním optimalizacím klade důraz na podmínky vyrobitelnosti. To v praxi znamená, že každé optimalizační úloze lze zadat velmi přesné okrajové podmínky, mezi kterými se výsledný tvar optimalizovaného návrhu musí pohybovat tak, aby bylo zajištěno, že tento díl bude vyrobitelný určenou výrobní technologií.

Analýzy vyrobitelnosti a multifyzikální testování

Nad rámec toho nabízí Altair ve stejném balíku nástrojů i produkty sloužící přímo k analýze vyrobitelnosti. Patří mezi ně Altair Inspire Cast, Inspire Form a Inspire Extrude. Již samotné názvy napovídají, k simulacím kterých technologií výroby slouží. Pomáhají tak konstruktérovi už při návrhu odhalit potenciální výrobní vady, jakými mohou být například staženiny, pórozity, ztenčení, napjatosti apod.

Dále je k dispozici nástroj Altair SimLab, který dříve sloužil k automatizaci síťovacího procesu a k preprocessingu obecně, ale postupně se transformuje do podoby nástroje pro komplexní multifyzikální testování. Na jeden model tak lze aplikovat celou řadu analýz – od pevnostní přes CFD až třeba po elektrostatiku nebo droptesty.

 Analýza odlévatelnosti konstrukčního návrhu

Unikátní rychlé simulace

Ze sady výše jmenovaných nástrojů se výrazně vymyká Altair SimSolid, který slibuje revoluci v simulacích. Díky převratné a unikátní výpočetní metodě, která pracuje bez jakékoliv FEM sítě, umožňuje provádění pevnostních a jiných analýz doslova řádově rychleji než jiné nástroje. Toho dosahuje jednak tím, že odpadá časově náročný proces síťování (ten neprobíhá ani na pozadí), a jednak tím, že například řešení běžné lineární statiky sestavy o stovkách dílů trvá řádově desítky sekund. Ohromující rychlost tohoto nástroje se netýká pouze složitých sestav, ale i tvarově extrémně složitých dílů – typicky například nepravidelné porézní struktury, která může být efektivně řešena právě díky tomu, že není potřeba model síťovat, což by v tomto konkrétním případě bylo značně náročné. Kromě toho se SimSolid neomezuje pouze na lineární statiku, ale zvládne i nelinearity, modální analýzu, z ní odvozené dynamické úlohy a termální analýzu. A to vše při zachování přesnosti srovnatelné s běžnými FEM solvery.

Jak můžete vidět, simulačních nástrojů pro konstruktéry je celá řada a sám konstruktér jimi může simulovat a analyzovat kdeco. Lze odhadovat, že tento trend bude i nadále růst a podobných nástrojů s různým zaměřením bude přibývat. Už teď Altair oznámil vydání konstruktérsky zaměřených nástrojů pro simulaci vstřikování plastů nebo 3D tisku. Vyplatí se nezaspat dobu a tento trend nejen sledovat, ale také se do něj zapojit. Správná volba nástrojů a jejich vhodné užití mohou být klíčem k inovativním řešením i vysoké kvalitě výrobků při dosažení úspor času a nákladů. Toto téma bude také předmětem diskuse na semináři na MSV v Nitře, a to i s praktickými ukázkami.

Vojtěch Rulc

vrulc@advanced-eng.cz

tcurda@advanced-eng.cz

www.advanced-eng.cz
 


Více o CAE simulacích v konstrukci:

Simulační platforma pro vývojovou konstrukci

Na videu představující platformu Altair Inspire je vidět konkrétní řešení simulačních nástrojů pro vývojové týmy, a to v rámci jednotné platformy (styling, pevnostní analýzy, kinematika a dynamika mechanismů,  optimalizace a odlehčování konstrukcí, ověřování vyrobitelnosti).


Optimalizace konstrukcí

Pomocí simulačních nástrojů jako je Inspire může konstruktér již v ranných stádiích návrhu nacházet tvarově a z pohledu hmotnosti optimální řešení. V případě topologických optimalizací jej nalezená geometrie nejen inspiruje, ale je vstupem pro detail design prováděný standardně v prostředí CAD systémů.


Ověření vyrobitelnosti

V krátkém videu je ukázáno, jak v nástroji Inspire konstruktér kromě ověřování mechanických vlastností svého návrhu může ověřovat i technologičnost konstrukce (zde příklad odlévání a lisování).


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 konečněprvkovou 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. Dále je na webových stránkách https://altairhyperworks.com/product/SimSolid k dispozici i detailní popis aplikovaných výpočetních metod – rozšířené Galerkinovy metody a teorie externích aproximací.


Konstrukce a výroba řízená simulacemi

Souhrnný pohled na „Simulation-driven Design and Manufacturing" tak, jak jej vnímá a prezentuje firma Altair na své uživatelské konferenci v Paříži, na  podzim roku 2018.


 

Další články

CAD/CAM/CAE/CIM

Komentáře

Nebyly nalezeny žádné příspěvky

Sledujte nás na sociálních sítích: