Vliv výrobního procesu na dynamické chování struktury

V současném vývoji prototypů se stále častěji uplatňuje numerická simulace, která při využití v rané fázi vývoje výrazně zkracuje čas a snižuje náklady potřebné na vývoj nového produktu. Většinou jde jen o dílčí analýzu izolovaných zatěžovacích stavů. Tyto dílčí analýzy ale často postihují jen ideální strukturu, která vznikla z konstrukčních CAD dat a která nepostihuje změny tvaru a materiálových vlastností, k nimž dochází během výroby. Přitom změny tvaru a vlastností struktury během výrobního procesu mají často výrazný vliv na její chování během dynamického zatěžování. Výrazně se také projevují při vzniku a mechanismu porušení, které ovlivňuje bezpečnost struktury.

Zahrnutí vlivu lisování a svařování do konstrukčního návrhu

Změna nominální tloušťky a vznik plastických deformací při lisování plechů má výrazný vliv na deformaci struktury při nárazových zkouškách. Zahrnutí tohoto vlivu výrazně přibližuje výsledky numerických simulací k realitě. Bohužel kombinace vlivu lisování a následného zatížení zatím není běžná. Další oblastí, která způsobuje změny vlastností základního materiálu, je svařování. Únosnost svarů je velmi důležitá pro bezpečnost struktury při mezním namáhání a kvalita modelování svarů je klíčová pro prediktivitu numerických simulací. Fyzikální modelování svarů v reálných průmyslových aplikacích je zatím také ojedinělé.

Článek ukazuje na možnost zahrnutí vlivu výrobních procesů, jako je lisování a svařování do procesu návrhu virtuálního prototypu. Tato metodika přináší zásadní přiblížení numerických modelů k realitě, a umožní tím zkrácení vývojového cyklu a robustnější konstrukci nového produktu.

Zmíněné změny vlastností struktury způsobené výrobními procesy lze v současné době zohlednit v programovém souboru Virtual Performance Solution (VPS) společnosti ESI Group. V rámci tohoto souboru lze definovat automatické zřetězení jednotlivých výrobních procesů a tím umožnit analyzování jejich vlivu v každodenní konstrukční práci.

Ekonomické aspektyTyto úvahy reagují na snahu o postupné zavádění numerických simulací nárazových zkoušek motorových a kolejových vozidel do legislativy, zejména s ohledem na zvýšení bezpečnosti v dopravě. Klíčovým faktorem tohoto procesu je přesnost výsledků virtuálních simulací.

Automobilový průmysl klade během posledních let vysoký důraz na bezpečnost účastníků silničního provozu. Právě ekonomická krize ukazuje důležitost snižování nákladů na vývoj bez újmy na kvalitě výsledků. Virtuální prototyping s vysoce kvalitními a prediktivními modely se zde jeví jako správná cesta. Cena stavby jednoho reálného prototypu ve vývojové fázi vozu stojí několik milionů eur. Náklady na nápravu případných problémů chování struktury (zjištěných např. při nárazových zkouškách) ve fázi, kdy je hotov reálný prototyp, jsou ještě řádově vyšší (desítky milionů eur). Náprava takovýchto problémů zároveň prodlužuje vývojový cyklus a oddaluje uvedení nového vozu na trh, a tím samozřejmě nepřímo snižuje konkurenceschopnost nového modelu. Proto přesné virtuální metody v ranné vývojové fázi hrají stále důležitější roli. Pomocí virtuálních metod lze navíc vytvořit robustní konstrukci splňující veškeré bezpečnostní požadavky. Důvodem je, že návrhy konstrukcí lze libovolně virtuálně zkoušet v konfiguracích, které reprezentují krizové situace mimo standardní homologační a zákaznické testy. Tím lze ušetřit lidské životy a snížit závažné zdravotní následky v podmínkách nestandardních scénářů nehod.

Popis metodiky

Virtual Performance Solution (VPS) se používá pro analýzu silně nelineárních dynamických dějů, jako jsou nárazové zkoušky dopravních prostředků (automobilů, vlaků, letadel atd.) nebo vibrační a hluková analýza. Kromě uvedených analýz je systémem možné predikovat i změny materiálových vlastností během výroby. Pro predikci změn, ke kterým dochází během procesu lisování (ztenčení, plastické deformace), lze přímo použít implementovanou inverzní metodu. Pomocí teplotního modulu lze odhadnout smršťování materiálu, a tím popsat procesy bodového i kontinuálního svařování těchto vlivů. Pak lze predikovat nejen materiálové změny v jednotlivých fázích výroby, ale i geometrické odchylky od výkresové dokumentace. Změna geometrie a materiálových vlastností má často za následek změnu chování struktury při zatěžování, které je klíčové pro určení bezpečnosti. Dále může být ovlivněna životnost nebo akustické vlastnosti struktury. Tyto změny lze během vývoje eliminovat například optimalizací sekvence svařování nebo změnou technologie lisování. Ideálním řešením je pak nalezení dostatečně robustní struktury.

Testovací podélník

Metodika byla ověřena na zjednodušené struktuře - testovacím podélníku, který je odvozen od předního podélníku osobního automobilu. Tento díl má v případě čelního nárazu za úkol absorbovat co nejvíce energie a deformovat se předepsaným způsobem tak, aby minimalizoval poranění posádky. Na obrázku 1 je schematicky znázorněn jak proces výroby, tak i způsob zatěžování, který reprezentuje analogii bariérové zkoušky. Výroba testovacího podélníku zahrnuje lisování a ohyb dvou U profilů, dále bodové svařování, na kterém je možné provést optimalizaci svařovací sekvence za účelem minimalizace konečných deformací. Dalším krokem je přivaření testovacího podélníku k montážní desce, kde opět lze provést optimalizaci svařovací sekvence. Zatížení je provedeno pádovou zkouškou, která reprezentuje adekvátní zatížení podélníku při čelním nárazu. Posledním krokem je pak odpružení po dynamickém zatížení.

Závěr

Na obrázku 2 je vidět porovnání dynamického chování zatížené struktury bez uvažování a s uvažováním vlivu technologie výroby. Zohlednění vlivu výrobních procesů a jejich simulací ukazuje podstatné rozdíly v průběhu deformační zkoušky testovacího podélníku. Podélník se v tomto případě začíná deformovat uprostřed struktury, zatímco v případě, kdy nejsou zohledněny výrobní technologie, se deformuje na jejím začátku.

Rozdíl v deformačním chování ukazuje na změny vlastností struktury, které jsou způsobeny výrobním procesem - ztenčení jako důsledek lisování nebo distorze jako následek procesu svařování. Uvažování výrobního procesu může výrazně zpřesnit výpočet množství pohlcené energie podélníkem během dynamické zkoušky a tím zlevnit a zefektivnit konstrukci již ve fázi virtuálního prototypu bez nutnosti výroby ověřovacích prototypů.

Tuto metodiku lze aplikovat na celou zkoumanou strukturu automobilu. Uvažováním řetězce vlivů výrobních procesů a jejich zautomatizováním v prostředí VPS dochází k výraznému zpřesnění simulací nárazových zkoušek a tím i ke zvýšení bezpečnosti nových automobilů. Tento postup lze použít i u jiných strojírenských výrobků, kde je možné očekávat vliv výrobního procesu. Kromě lisování a svařování lze do návrhové smyčky zařadit i simulace lití.

Ing. Jan Štych, Ph.D.,

Ing. Miloslav Pašek Ph.D.,

Ing. Jakub Šašek Ph.D.

tereza.bartova@mecasesi.cz

Mecas ESI