Témata
Reklama

Virtuální prototyping omezuje potřebu fyzických prototypů

12. 06. 2002

MSC.DynamicDesigner je software, který slouží k simulaci funkce strojů, přístrojů a jiných mechanismů v prostředí CAD programů. Výstupem této simulace jsou inženýrské informace, které se zpravidla získávají zkouškou fyzického prototypu. Uvedený proces se nazývá virtuální prototyping.

Zkoušky fyzických prototypů, které bývají klíčovou složkou vývojového procesu, nejsou v dnešní době jedinou metodou testování strojů a přístrojů. V posledních letech se rychle vyvíjí oblast virtuálního prototypingu, jež představuje alternativu ke zkouškám prováděným s fyzickým prototypem. Firma Mechanical Dynamics pro tyto účely vyvíjí software MSC.DynamicDesigner, umožňující výrobním firmám snížit potřebu zkoušek na fyzickém prototypu.
Reklama
Reklama
Reklama

Simulace funkce mechanismů

Software pro virtuální prototyping umožňuje simulovat funkci mechanismů s využitím jejich CAD modelů. Konstrukční program, který je zpravidla využíván k modelování dílů, podsestav a sestavy produktu, se dále využívá k výrobě digitální výkresové dokumentace a někdy také k výrobě programu pro počítačově řízené obráběcí stroje. CAD program poskytuje přehled o sestavitelnosti sestavy a kontroluje interference dílů. Součástí konstrukčního procesu jsou zpravidla i kontrolní výpočty a zkoušky, pro které lze rovněž využít CAD model výrobku a s jeho pomocí lze provádět pevnostní výpočty a simulaci provozu mechanismu, případně simulaci zkoušek, havarijních nebo jiných neprovozních stavů.
Simulace funkce mechanismů jsou nástrojem, který umožňuje:
  • nahradit nebo doplnit zkoušky fyzických prototypů;
  • poměrně rychle provádět testy s virtuálními prototypy pro různé konstrukční alternativy;
  • provádět virtuální testy před zahájením výroby a zahájit výrobu a případné fyzické testy s již otestovaným výrobkem;
  • simulovat zkoušky produktu.
  • Pevnostní výpočet

    Klasický pevnostní výpočet se nejčastěji skládá ze statického výpočtu zatížení ve stavu, který se považuje za kritický. Virtuální prototyping v tomto procesu poskytuje dvě zlepšení. Za prvé simulace funkce je ve své podstatě simulací dynamickou a zahrnuje ve svých výsledcích účinek setrvačnosti těles, který je zpravidla při statickém výpočtu zanedbáván, a také zachycuje vznik vibrací, které mohou rovněž přispět ke zvýšení skutečné hodnoty zatížení. Za druhé simulace funkce poskytuje výsledky zatížení všech modelovaných dílů, a to v celém průběhu provozního nebo jiného stavu. Je tedy poměrně snadné vysledovat maxima zatížení, která se následně použijí pro pevnostní výpočet, a zároveň sledovat jejich změny v závislosti na konstrukčních změnách.
    Pracovní postup se v tomto případě skládá, jak je u počítačových aplikací obvyklé, ze tří částí - preprocesingu, výpočtu a postprocesingu. Při preprocesingu je CAD model využit pro vytvoření modelu mechanismu s kinematickými vazbami mezi díly, případně se definují další díly, jako jsou pružiny a tlumiče a jejich charakteristiky, a provede se zadání zatížení a pohonu mechanismu a délky simulace. Následuje vlastní simulace, kdy probíhá výpočet pomocí řešiče, který řeší soustavu rovnic vytvořenou automaticky na základě modelu mechanismu. Současně lze při řešení vizuálně sledovat pohyby mechanismu. Postprocesing slouží k přehrání 3D simulace funkce pro vizuální kontrolu, vykreslení grafů průběhů zatěžujících sil a momentů, velikostí posuvů, rychlostí, zrychlení dílů a dalších fyzikálních veličin nebo jejich výpis do číselných tabulek.
    Kromě vstupů pro pevnostní výpočet poskytuje simulace funkce další důležitá zjištění týkající se ověření výkonnosti produktu, například zda je mechanismus schopen dostatečně rychle v požadovaných rozsazích pohybu plnit požadovanou funkci, zda dostačuje výkon navrženého pohonu apod.

    Využití virtuálního prototypingu

    Klade-li si strojírenská firma otázku, zda-li je virtuální prototyping efektivní metodou právě pro její řadu produktů, je vhodné odpovědět si na následující podotázky:
  • Obsahuje náš produkt pohybující se části?
  • Používáme fyzických zkoušek k ověření kvality konstrukce?
  • Jestliže odpověď na tyto otázky zní ANO, znamená to, že velmi pravděpodobně může technologii virtuálního prototypingu efektivně využít. Firmy pracující se softwarem MSC.DynamicDesigner často dosahují návratnosti investovaných prostředků už po prvním projektu.
    Typickým uživatelem MSC.DynamicDesigner bývá pracovník zodpovědný za funkci produktu. MSC.DynamicDesigner mu pomáhá porozumět konstrukci ještě dříve, než existuje fyzicky. Uživateli jsou tedy nejčastěji konstruktéři a projektanti, avšak mohou to být také výpočtáři nebo pracovníci zkušebny. Práce s MSC.DynamicDesignerem, špičkovým celosvětově rozšířeným softwarem pro virtuální prototyping, je také příspěvkem pro odborný růst zejména v období, kdy poptávka v tomto oboru roste. Přínosy pro firmu používající MSC.DynamicDesigner jsou nemenší. Snížení závislosti na fyzických zkouškách a vyhodnocení více konfigurací výrobku jsou cíle, kterých by rádo dosáhlo mnoho firem.

    Příklady nasazení

    Mezi konkrétní zadání, které lze s pomocí MSC.DynamicDesigner řešit, patří například zjišťování potřebného výkonu motoru nebo parametrů pohonných hydraulických válců, kinematická kontrola funkce mechanismu, rozsahů a obálek možných pohybů, zjišťování velikostí sil působících na jednotlivé díly mechanismu v průběhu funkce, zjišťování okrajových podmínek pro pevnostní analýzu, potřebného převodového poměru ozubených, pásových nebo řetězových převodů, minimální vůle mezi pohybujícími se díly nebo jejich nárazy, kontrola toho, jakým způsobem ovlivní funkci zvýšené tření ve vazbách, zjištění, jakým způsobem ovlivní chování mechanismu různé parametry pružin či tlumičů, redukce vibrací, zjištění vlivu nevyvážených hmot na funkci a zatížení, kontrola, zda zatížení ložisek nepřekračuje dovolenou mez pro vybraný typ, nebo také hodnocení vlivu provedené konstrukční změny na výše uvedené veličiny.
    Výpočet provádí MSC.DynamicDesigner pomocí řešiče, který je založen na ověřené základní technologii firmy Mechanical Dynamics s názvem ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Multibody Systems). Jeho výroba a vývoj byly zahájeny v roce 1970 a v dnešní době je tento produkt nejčastěji používaným řešičem u velkých i malých firem v celosvětovém měřítku.

    Spolupráce MSC.DynamicDesigner s CAD a MKP programy

    MSC.DynamicDesigner je také software, který spojuje CAD systém se softwarem pro pevnostní analýzu. Spojuje tedy znalost toho, jak produkt vypadá (CAD), jak funguje (MSC.DynamicDesigner) a jestli nedojde k poruše dílu (MKP). Ovládání MSC.DynamicDesigner je prováděno v prostředí CAD systému, ve kterém se objevuje jako nové menu pro práci se simulacemi. Využívá tedy stejného pracovního prostředí jako CAD a jeho ovládání je přizpůsobeno logickému postupu při vývoji produktu. Převod okrajových podmínek ze simulace funkce v MSC.DynamicDesigner do MKP softwaru pro pevnostní analýzu může být proveden prostřednictvím souboru se zatížením. Automatizací procesu se tak snižuje možnost lidské chyby při převádění dat a těžiště práce se přesunuje na tvorbu modelu a definování žádané analýzy.
    V nynější době je možné produkt MSC.DynamicDesigner využívat v CAD systémech SolidWorks, Solid Edge, Autocad, Mechanical Desktop, Inventor a CATIAV5. Bližší informace o tom, jak s pomocí MSC.DynamicDesigner efektivně vyřešit váš konkrétní problém, lze získat od vašeho prodejce CAD nebo od regionální kanceláře Mechanical Dynamics.

    Příklad z praxe

    Firma Ward Machine Tool z USA se specializuje na konstrukci a výrobu standardních i speciálních sklíčidel soustruhů pro výrobu hliníkových disků kol, rotačních akčních členů a upínacích přípravků. Jeden z jejích zákazníků požadoval vývoj duálně ovládaného sklíčidla soustruhu pro velký rozsah hliníkových disků kol a duplexního rotačního akčního členu k nastavení sklíčidla. Před výrobou sklíčidla a akčního členu bylo třeba najít odpověď na tyto otázky: Bude konstrukce pracovat v celém požadovaném rozsahu? Jaké akční členy konstrukce vyžaduje? Jaká je požadovaná svírací síla? Nebudou se čepy deformovat?
    Protože šlo o novou konstrukci, bylo nutné ji ověřit. Ve firmě Ward Machine Tools se snažili vyřešit tyto otázky ještě před zahájením výroby, neboť fyzické testy na jednom nebo i více prototypech vycházely příliš draze. Jelikož se ve firmě používá CAD systém SolidWorks, bylo rozhodnuto využít v něm vytvořené CAD modely a rozšířit CAD software o virtuální prototyping - tedy o software MSC.DynamicDesigner a návazný MKP software pro pevnostní analýzy.
    "Pravděpodobně jako u většiny malých firem, bylo i u nás dříve jedinou možností, jak testovat nové výrobky, vyrobit je a vyzkoušet. Nyní však namísto toho, abychom vyráběli prototyp a metodou zkouška-omyl jej testovali, můžeme získat stejná data přímo ze SolidWorks použitím MSC.DynamicDesigneru jako nástroje pro virtuální prototyping. Model mechanismu pro MSC.DynamicDesigner byl snadno vytvořen ze 3D modelů. Vazby ze sestavy byly automaticky převedeny na kinematické vazby mezi díly v MSC.DynamicDesigneru, kontakty křivka-křivka byly dodefinovány tak, aby reprezentovaly pohyb čepu v drážce. Nakonec byl definován pohon sklíčidla, který jej zrychloval až do rychlosti 3200 otáček za minutu," říká Bruce Emerson, Engineering Manager firmy Ward. Simulace tak vývojovým pracovníkům umožnily plně porozumět pohybům konstrukce a poskytly jim výkonnou metodu ke zjištění, zda zařízení bude správně fungovat. Ze simulací byly zaznamenány výsledky jako např. zatížení čepů, interference dílů, zatížení akčních členů. Díky tomu bylo včas zjištěno nejenom to, že zatížení čepů by bylo nepřípustné, ale i to, že síla požadovaná k upnutí největšího možného kola vyžaduje akční člen s parametry, které zdaleka převyšují možnosti původně navržené konstrukce. Kdyby byl vyroben akční člen na základě dat, která byla zpočátku k dispozici, svírací síly sklíčidla by nebyly dostatečné. Tím by byla ohrožena i bezpečnost obsluhy a mohlo by dojít i k vážnému poškození celého stroje. MSC.DynamicDesigner také hrál zásadní roli při zjišťování maximálních napětí v zatížených čepech. Grafy průběhu zatížení čepů předpovídaly špičková zatížení, které by způsobila vysoká smyková a ohybová napětí. Zjištění, že navržená konstrukce by nefungovala, nebylo jediné. Bylo velmi snadné modifikovat sestavu, rychlost motoru, typ upnutého kola, pochopit funkci mechanismu, vyhledat a ošetřit slabá místa konstrukce.
    Pracovníci firmy Ward odhadli, že výroba nového sklíčidla a akčního členu by znamenala náklady okolo 45 000 dolarů, navíc fyzické testování by trvalo přibližně desetkrát delší dobu než virtuální testy v MSC.DynamicDesigner. Souhrnem lze říci, že Ward byl schopen vytvořit model produktu, testovat ho a optimalizovat na svých počítačích ještě předtím, než začal s první výrobní činností. Díky úspoře času, úsilí a nákladů bylo dosaženo návratnosti prostředků investovaných do softwaru již při prvním projektu.
    Reklama
    Vydání #6
    Kód článku: 20618
    Datum: 12. 06. 2002
    Rubrika: Informační technologie / CAD/CAM/CAE
    Autor:
    Firmy
    Související články
    Zvyšte potenciál svého 2D CAD softwaru!

    Stále příliš mnoho firem přichází o své finanční prostředky tím, že sice využívají nové technologie, ale ty nezvyšují jejich celkový potenciál. V takovém případě pomůže aplikace DraftSight od Dassault Syst?mes. Pomocí tohoto softwaru lze spouštět stávající DWG soubory a vytvářet nové za zlomek nákladů oproti jiným CAD řešením.

    Aerospace - vlajkový průmysl s extrémními nároky

    Letecký průmysl je ve Francii významným oborem, a tak není divu, že společnost Missler Software získala v této oblasti jedinečné zkušenosti díky spolupráci s většinou subdodavatelů v oboru. To ji spolu s tisíci díly obráběnými pomocí TopSolidCam řadí mezi špičky v leteckých technologiích.

    Zlepšení produktivity navrhování a obrábění

    O něco málo více než po roce je tu opět nová verze parametrického 3D modeláře Creo. Jak se povedlo vývojářům do již páté verze Creo zakomponovat požadavky trhu a jaké jsou hlavní směry inovací?

    Související články
    Příprava CAD modelu součásti pro výrobu

    NC programátoři se velmi často potýkají s problémy týkajícími se různé kvality trojrozměrných modelů potřebné pro programování obrábění. Úpravy mohou být obtížné, protože 3D modely součástí často pocházejí z různých zdrojů.

    Reklama
    Reklama
    Reklama
    Reklama
    Související články
    Setkávání

    Setkávání uživatelů konstrukčních a technologických softwarů má již dlouholetou tradici. Informace o novinkách, představení nejrůznějších tipů a triků, někdy i možnost si zasoutěžit a v neposlední řadě rovněž výměna zkušeností v neformální atmosféře patří k hlavním bodům programu takovýchto akcí.

    Letadlo poháněné sluneční energií vyrazilo na cestu kolem světa

    Solar Impulse je projekt mající za cíl vyrobit letadlo poháněné sluneční energií, které dokáže obletět Zemi. Letoun je dílem švýcarského psychiatra a vzduchoplavce Bertranda Piccarda, jednoho z pilotů prvního balonu, který obletěl celý svět bez jediné přestávky, a švýcarského inženýra a podnikatele Andrého Borschberga. Vývoj zastřešuje polytechnika v Lausanne a podílí se na něm několik desítek specialistů.

    Konstrukce i technologie snadno, rychle a bezpečně

    CAD/CAM systém TopSolid verze 7.9 přináší v návaznosti na technologickou část další rozšíření možností v oblasti obecné konstrukce.

    Softwarový simulátor stavebního stroje nahrazuje nákladné prototypy

    Vývoj stavebních strojů bývá spojen se stavbou fyzických prototypů nových zařízení. Ty však vyžadují vysoké finanční náklady a množství času. Efektivní řešení dnes nabízejí softwarové simulátory. Společnost Volvo Construction Equipment zařadila do vývoje simulátor „human-in-the-loop“, který vyvinula v nástrojích Matlab a Simulink firmy MathWorks.

    Od správy nástrojů po simulaci NC programů

    V oblasti integrované správy nástrojů u společnosti KHS hraje software pro správu nástrojových dat TDM zásadní úlohu. Tento software zde byl zaveden před čtyřmi lety a v současné době poskytuje 3D modely nástrojů a nástrojová a technologická data pro NC programování, simulaci výroby, seřizování nástrojů, jakož i pro správu skladových zásob.nástrojů, jakož i pro správu skladových zásob.

    Softwarové řešení pro přípravu NC programů

    Firma FANUC nabízí možnost rozšíření svých CNC řídicích systémů o grafické programovací prostředí nazvané Manual Guide i.

    CAM pro CMM

    V posledních letech se ve strojírenství stále více dbá na přesnost výroby a tím i na kvalitu a efektivnost měřicího procesu. Měřicí proces dnes zasahuje i do různých stadií výroby, nejen do závěrečného procesu kontroly výrobku.

    Racionalizace obráběcích operací s podporou CAD/CAM systému

    V roce 2010 společnost Montupet zahájila výrobu na nové obráběcí lince v Laigneville ve Francii s cílem optimalizovat výrobu hlav spalovacích motorů a dalších slévárenských dílců pro automobilový průmysl. Mladý tým zkušebního centra pro podporu a vývoj technologií, který se v průběhu let rozrostl ze dvou na deset lidí, si vybral Missler Software jako ideálního partnera na pomoc při racionalizaci pracovních procesů ve svých závodech. TopSolid CAD a CAM jsou velmi vhodné pro systemizaci procesů obrábění a přesné zdokumentování jednoho každého výrobního postupu.

    Komplexní CAM systém s metrologickými nástroji

    Je tomu již několik let, kdy se systém Surfcam zařadil do portfolia produktů společnosti Vero Software, která je součástí nadnárodního technologického koncernu Hexagon. Takováto součinnost softwarových gigantů zaručuje optimální kombinaci nejmodernějších technologií v oblasti výroby a špičkových metrologických nástrojů.

    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?

    Reklama
    Předplatné MM

    Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

    Proč jsme nejlepší?

    • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
    • Vysoký podíl redakčního obsahu
    • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

    a mnoho dalších benefitů.

    ... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

        Předplatit