Ранняя симуляция производственных эффектов создает надежные дизайны

В дизайне и инженерии предположения часто делаются как упрощающий механизм, и иногда потому, что это упрощение достаточно. Но часто это потому, что у одного нет адекватного времени ни инструментов для учета нелинейных эффектов.

Для многих компонентов производственные процессы имеют значительное влияние на производительность продукта, но часто являются одними из самых часто упускаемых эффектов. Какие производственные эффекты следует учитывать, а какие можно игнорировать? Ответы на эти вопросы не всегда хорошо понятны. Часто стандартная практика в инженерии — дизайнеры создают дизайн, передают его аналитикам, а затем аналитики строят и анализируют дизайн. Часто этот подход довольно громоздкий и занимает, в результате, больше времени, чем идеально. Из-за неидеальных связей и времени перехода от CAD к CAE, нередко тратится больше времени на передачу данных и первоначальный аналитический запуск, чем на фактическое построение, анализ и понимание модели.

Платформа 3DEXPERIENCE — объединение инструментов дизайна и твердотельной механики:

Платформа 3DEXPERIENCE от DASSAULT SYSTÈMES объединяет 세계-классовые функции дизайна CATIA с линейными и нелинейными наборами инструментов твердотельной механики от SIMULIA. Такая мощная способность позволяет более бесшовное соединение между CAD и CAE, чем типично в отрасли. Она также позволяет управляемые процессы и стандартизированные шаблоны, которые могут привести к более быстрому первому ответу. Так вместо первоначальных упрощенных расчетов и предположений, сделанных экспертами структурного анализа, эти ответы первого прохода могут быть встроены в CAD и ранние инженерные наборы инструментов, чтобы прийти как к первой модели, так и к первому начальному предположению о структурных ключевых показателях производительности. Это позволяет выполнять и анализировать ответы первого прохода линейной структуры внутри CAD перед передачей аналитикам.

Инженер структурного анализа может затем «заточить лезвие» путем дальнейшего уточнения модели и добавления соответствующих эффектов к модели «первого прохода», доставленной им. Некоторые из этих производственных соображений могут быть просто «расширенными» линейными предположениями, но можно включить контакт, материальную нелинейность и даже эффекты напряжения-упрочнения, где уместно. Как мы увидим, это уточнение может быть критичным и может легко выявить отказы, которые иначе могли быть упущены. Некоторые «классические» примеры нелинейности — материальные нелинейности — пластичность в стали, нелинейное поведение резины, трещины и отказы в различных материалах и компонентах. Хотя эти часто хорошо поняты, две другие формы нелинейности чаще упускаются — эффект контакта и влияние «нелинейной геометрии». Все три этих формы нелинейности могут быть результатом производственного процесса, и все легко моделируются, анализируются и постобрабатываются на платформе 3DEXPERIENCE.

Мы оценили два примера, демонстрирующих эти производственные эффекты, и в частности фокусируемся на том, как каждый из этих может играть роль в рассмотрении влияния производственных эффектов на системы.

• Пресс-присоединение в нижнем рычаге управления:

Контакт в целом хорошо понят инженерам — два или более компонента «сталкиваются» друг в друга, и силы передаются между ними, что порождает напряжения и деформации. Пример контакта, который часто не учитывается, но может быть довольно критичным в своих последствиях, — это «пресс-присоединение». В пресс-присоединении один компонент с немного большим внешним сечением «заставляется» войти в другой с меньшим сечением, отсюда название. Пресс-присоединение должно балансировать конкурирующие требования: слишком малое интерференс между частями может привести к присоединению, которое может слишком легко вытащить и компрометировать целостность системы через разделение частей. Однако слишком большое интерференс приведет к высоким напряжениям и деформациям, приводящим к отказу внутри одной или обеих частей.

Модуль симуляции внутри платформы 3DEXPERIENCE легко позволяет не только зафиксировать такое пресс-присоединение (вместо упрощенного подхода), но также может учитывать вариацию интерференса для изучения результирующих напряжений из-за самого пресс-присоединения и когда эти напряжения пресс-присоединения включены в «стандартную» нагрузку. Неучет эффектов пресс-присоединения может иметь катастрофические последствия.

Как показано в вышеприведенном примере, нижний рычаг управления (который является распространенным примером пресс-присоединения) может неожиданно отказать, если эффекты пресс-присоединения не учитываются при симуляции. Результаты слева вводят в заблуждение и могут вызвать гарантийные вопросы для производителей. Эти виды неожиданных отказов и отзывов также могут повлиять на репутацию OEM.

Часто в отрасли эффекты пресс-присоединения рассматриваются во время детального анализа компонента. Обнаружение и исправление чрезмерного пресс-присоединения на ранней стадии дизайна сэкономит общее время и стоимость проекта.

Ниже мы резюмировали рабочий процесс 3DEXPERIENCE для достижения этого:

• Параметрическое CAD-моделирование:

Параметрический дизайн на платформе 3DEXPERIENCE использует возможность тестирования дизайна для его разных конфигураций. Интерференс между нижним рычагом управления и втулкой может быть определен и варирован через параметр дизайна, как показано на изображении ниже.

• Интегрированное моделирование и симуляция:

Единая платформа для CAD-моделирования и симуляции делает легко для дизайнера анализировать спроектированный компонент перед передачей инженеру по симуляции. Помощь симуляции в платформе 3DEXPERIENCE может направить даже неэксперта-аналитика выполнить базовые линейные и нелинейные симуляции перед передачей модели экспертному аналитику. В этом случае определены два отдельных случая симуляции для вертикальной нагрузки 4 кН и боковой (направление X) нагрузки 2,5 кН. Для игнорирования нелинейных эффектов на уровне дизайн-инженера, втулки привязаны к нижнему рычагу управления, а внутренний цилиндр втулки зажат.

• Повторное использование линейной симуляции для выполнения продвинутой нелинейной симуляции:

Для детального и точного изучения дизайн-инженер может изменить параметры соединения между втулкой и нижним рычагом управления, чтобы включить эффекты пресс-присоединения в симуляцию. Ассоциативность между CAD и FEM делает легко определить новую функцию симуляции или изменить существующую функцию внутри линейной симуляции. Менеджер функций дает консолидированный вид функций симуляции, определенных, и делает очень легко модифицировать за минимальное количество кликов мыши.

• Автоматизация и коллаборация:

Эксперт-аналитик может определить шаблоны симуляции для определенных хорошо определенных рабочих процессов и сделать их легко доступными для дизайн-инженеров для выполнения детального анализа с учетом производственных эффектов. Веб-виджеты для выполнения этих предопределенных симуляций движут эффективную коллаборацию между дизайнером и инженером симуляции, которые могут совместно пересматривать и финализировать дизайн.

 

Таким образом, всеобъемлющие инструменты на платформе 3DEXPERIENCE делают возможной оптимизацию интерференса пресс-присоединения на ранней стадии дизайна и избегание нежелательных отказов и отзывов.

• Моделирование болта в шплинтовом соединении:

Второй пример производственных эффектов — это шплинтовое соединение. Шплинтовое соединение — это просто связь, состоящая из U-образного звена (иногда называемого «вилкой») через которое проходит штифт или болт. Этот штифт обычно крепится к звену или стержню, позволяя звену вращаться вокруг штифта, в то время как «фиксируя» его к вилке во всех других направлениях.

Шплинтовые соединения используются по множеству продуктов и довольно распространены в автомобильных и подвесках тяжелого оборудования, в промышленных приложениях машин, в аэрокосмических связях и в множестве других вариантов использования. Они могут быть очень маленькими с простым крошечным «штырем» как соединением для недорогих товаров для дома, но для промышленного оборудования и крупных машин часто могут быть такими массивными, что превышают вес человека и требуют очень больших болтов как «штырь». В более крупных машинных приложениях часто недостаточно просто «соединить» вилку со стержнем, так как болт должен быть туго затянут, что может добавить производственные напряжения к детали до того, как какие-либо «эксплуатационные нагрузки» вообще рассматриваются. Эти болтовые нагрузки tend to «сгибают» вилку и могут привести в значительные предварительные напряжения. Если эти производственные напряжения игнорируются, некорректные факторы безопасности для эксплуатационных нагрузок могут получиться, приводящие в неконсервативные пиковые нагрузки напряжений и переоценку ресурса усталости.

В этом захватахе челюсти, болтовое шплинтовое соединение используется для соединения звена с компонентом челюсти. Для такой сборки, как эта, большие болты (с ассоциированными высокими предварительными натяжениями болтов) должны использоваться для избежания отсоединения. Болтовые нагрузки будут «тянуть» вилки шплинтового соединения вместе и приводить в сборочные напряжения. Тяжелое оборудование как это часто перепроектировано — лучше иметь немного лишней массы, чем рисковать простоями для такого дорогого оборудования. Но даже с высокими факторами безопасности важно учитывать, как эти производственные эффекты комбинируются с эксплуатационными нагрузками.

Для результатов симуляции, показанных на рисунке 9, эксплуатационные нагрузки сами по себе приводят к довольно скромным напряжениям в вилках и почти на 20% ниже целевых напряжений. Однако, учитывая производственные напряжения поверх эксплуатационных, фактические результаты на 30% выше целевых. Такие напряжения, хотя хорошо ниже предела текучести, могут тем не менее привести к возможной усталоте компонента, приводящей к полевым отказам и операционным простоям. Поэтому выбор оптимальной силы затяжки болта очень важен для избежания этих проблем. Платформа 3DEXPERIENCE предоставляет дружелюбный к дизайну инструмент для выполнения таких симуляций, как резюмировано в следующем рабочем процессе:

• Моделирование виртуального болта:

Определение CAD-геометрии болта для изучения эффекта затяжки может включать ненужную сложность (как нелинейность из-за контактов) для дизайн-инженера. Следовательно, инструмент определения виртуального болта в 3DEXPERIENCE предоставляет упрощенный подход для определения представления болта как FE-сущности и позволяет предустановку для изучения эффектов затяжки. Дизайнер может просто выбрать грани части или использовать обнаружение болта для определения виртуального болта в локации шплинтового соединения.

• Определение линейной симуляции:

Похоже на пример пресс-присоединения, помощь симуляции может направить дизайн-инженера настроить симуляцию. Выбирая CAD-фичи, как грань, край или вершину, дизайн-инженер может легко определить нагрузку и граничные условия. В этом случае челюсть зажата на нижней грани и 10 кН нагрузки приложено в шплинтовом соединении.

• Пользовательский шаблон для DOE и оптимизации:

Эксперт-аналитик может определить веб-шаблон симуляции для дизайн-инженера для изучения эффекта разных значений силы затяжки болта на шплинтовое соединение. Design of experiments может быть сформирован на ранней стадии дизайна без вовлечения экспертного аналитика в цикл. В этом случае изучается эффект предварительной нагрузки болта, варьирующейся от 1 кН до 5 кН с шагом 500 Н, используя шаблон процесс-композера DOE.

• Веб-валидация результатов в Results Analytics:

После завершения процесса дизайн-инженер может коллаборировать с экспертным аналитиком для визуализации результатов на веб-виджете, называемом Results Analytics. Просто модифицируя входные параметры, как нагрузку и силу затяжки болта, дизайнер может переиспользовать шаблон для разных моделей, имеющих похожее приложение. Как показано на изображениях ниже, дизайн-инженер может заключить, что сила болта выше 2 кН может превысить напряжение за допустимый предел (150 МПа).

Таким образом, эксперт CAE-инженер может сконцентрироваться на более продвинутых симуляциях, а дизайн-инженер заботится о производственных эффектах на ранней стадии дизайна и экономит общее время и стоимость процесса.

Заключение:

Если производственные эффекты учитываются рано на стадии дизайна, можно более точно понять истинные «факторы безопасности» в дизайне. Дружелюбные к дизайнеру инструменты на платформе 3DEXPERIENCE могут помочь предсказать производительность продукта более последовательно и в результате могут снизить гарантийные затраты, затраты на отзывы и операционные затраты для клиентов.

Смотрите все наши решения для Транспорта и Мобильности, посещая:

https://www.3ds.com/products-services/simulia/solutions/transportation-mobility/