Technické výpočty

Výpočetní technika a její masové používání výrazně ovlivnila nejen práci konstruktérů, ale také řadu návazných činností. Neoddělitelnou součástí návrhu nového výrobku je řada technických a oborových výpočtů. Mezi nejrozšířenější výpočty patří analýza kinematických mechanismů, řešení obecných úloh pružnosti a pevnosti. V neposlední řadě například můžeme vyhodnotit pomocí speciálních nástrojů přesnost vyrobených výrobků a porovnat ji s vytvořeným návrhem.

Firma Autodesk poskytuje tyto nástroje prostřednictvím předních výrobců software sdružených v organizaci MAI (Mechanical Applications Initiative). Tyto firmy nejen že vyvíjejí vlastní produkty, ale přímo je v samostatných verzích integrují do parametrických produktů Mechanical Desktop a Autodesk Inventor. Úplný seznam MAI partnerů naleznete na adrese http://www.autodesk.com/develop/mai/index.htm. Řadu produktů navíc přímo podporuje většina CA systémů dostupných na světovém trhu. Lze tak například integrovat aplikaci Moldflow Plastics Advisers (http://www.moldflow.com) pro výrobu plastových součástí přímo do produktů Autodesk, Catia, Unigraphics a řady dalších.

Nástroje pro kinematiku

Ukázkou aplikace určené pro kinematické studie může být Dynamic Designer Motion Professional americké společnosti Mechanical Dynamics, Inc. (USA). Aplikace umožňuje plnohodnotnou kinematickou a dynamickou analýzu sestav a ve spolupráci s aplikacemi DesignSpace také jejich pevnostní kontrolu.

Mechanismy lze řešit pomocí analytických nástrojů

Aplikace využívá automatická detekce vazeb (technologie IntelliMotion): Vazby použité při tvorbě sestav převádí na vazby určené pro simulaci Do takto definované sestavy lze poté doplňovat další určující podmínky, jako jsou: síly, pružiny, tlumiče, počáteční rychlosti a zrychlení atd. Veškeré tyto podmínky mohou být zadány podle uživatelem určené funkční závislosti Pro takto definovaný model je spuštěna výpočetní statická nebo dynamická analýza Výsledkem analýzy jsou trajektorie, rychlosti a zrychlení vyšetřovaných bodů či těles

Veškeré výsledky lze zobrazit v grafické formě při pohybu sestavy nebo jako grafy závislostí jednotlivých veličin. U sestav se také automaticky generují hlášení o případných kolizních stavech. Samozřejmostí u těchto aplikací jsou prezentační výstupy ve formě animovaných video sekvencí s pohybem sestavy.

V případě těles jsou navíc spočteny setrvačné síly a reakce ve vazbách, což mohou být vstupy pro následnou pevnostní analýzu např. v aplikaci DesignSpace. Doporučujeme navštívit některé z MAI partnerů firmy Autodesk na adresách http://www.workingmodel.com nebo http://www.designtechnologies.com.

Nástroje pro analýzu přesnosti a reverzní inženýrství

3D modely poskytují velmi přesnou geometrickou charakteristiku součástí. V praxi tohoto aspektu lze využít jak pro zpětné vyhodnocení a kontrolu vyrobených součástí, tak pro odvození modelu pomocí technologie reverzního inženýrství (Reverse Engineeringu). Lze tak prakticky vytvořit například model těžce poškozené památky a tu rekonstruovat přímo prostřednictvím 3D modelu na počítači. V průmyslovém odvětví, například v automobilovém průmyslu se Reverse Engineeringu využívá při kontrole výlisku karoserie automobilu.

Analýza odchylek vylisovaného prvku karoserie

V první fázi designér navrhne tvary, které modeluje na reálném modelu Model, který je většinou v měřítku 1:1, se pomocí 3D skeneru převede do CAD prostředí na body a poté na volné plochy Digitální 3D model karoserie, se pomocí speciálního CAD/CAM softwaru převede na výrobní data, která se odešlou na výrobní zařízení Po tažení se zkušební série plechů zdigitalizuje opět pomocí 3D skeneru V poslední fázi se porovnají odchylky mezi návrhem designéra a vyrobeným vzorkem Odchylky se upravují na úrovni transformace dat do CAD/CAM systému

Tyto technologie se dají využít i v případě, že kontrola výrobku není složitá, ale časově náročná. Jde např. o kontrolu rozměrů výrobku při hromadné nebo velkosériové výrobě, kde by manuální přeměření i každé desáté součástky dělníkem znamenalo velké časové prodlevy a finanční ztráty. Doporučujeme navštívit některé z MAI partnerů firmy Autodesk na adrese http://www.metris.be. Pro detailní zodpovězení problematiky Reverse Engineeringu určitě navštivte velmi zdařilé stránky na adrese http://robo.hyperlink.cz.

Metody konečných prvků MKP

Základní úlohou pružnosti a pevnosti je při známém zatížení a uložení tělesa určit deformaci a napjatost ve všech místech tělesa. Prakticky lze tento příklad řešit pomocí dvou základních postupů:

Analytické (přesné) řešení - spočívá v nalezení řešení parciálních diferenciálních rovnic, což je možné efektivně provést pouze u jednoduchých tvarů zatížených těles. Pro tělesa obecného tvaru je nalezení řešení pomocí analytických metod velmi problematické.

Metoda konečných prvků – se používá pro řešení těles obecných tvarů. Výsledkem řešení výše uvedené úlohy jsou hodnoty posuvů a natočení ve vybraných bodech (uzlech) tělesa.

DesignSpace umožňuje analýzu složitých zatížení

Analýza tvarově složitých 3D modelů

MKP, tedy metoda konečných prvků (v angličtině z předpokladu FEM Finite Element Method) je matematická metoda, založená na řešení soustavy diferenciálních rovnic, popisujících vlastnosti a chování určité fyzikální soustavy. Podstata metody konečných prvků spočívá v rozdělení oblasti tělesa na konečný počet podoblastí které označujeme jako prvky. Původní oblast tělesa rozdělená na prvky se nazývá sít' konečných prvků (FE mesh).

Počet prvků a způsob dělení je nutné provádět tak, aby výsledky byly dostatečně přesné. Jemnějším dělením (více prvků) obdržíme přesnější výsledky, ale prudce narůstá náročnost úlohy na výpočtový čas a hardware. Obecně platí, v místech kde lze předpokládat koncentraci napětí (vruby, přechody) je nutné použít jemnější dělení. Programy tuto fázi řeší velmi často automaticky.

Zatížení nosníku ohybem – srovnání řešení

Na přesnost výpočtu má vliv několik faktorů: Typ zatížení a podepření soustavy Tvar a velikost prvků Zvolený výpočtový algoritmus Obecně platí že jemnější dělení na prvky a poddajnější konstrukce dává přesnější výsledky. Odtud vyplývá důležitý fakt, že model vytvořený pomocí sítě konečných prvků je vždy tužší než ve skutečnosti. Vždy vycházejí menší deformace než ve skutečnosti. Způsob konvergence (přiblížení se k přesnému řešení) je závislý především na počtu prvků.

Je velmi důležité si uvědomit, že tyto výsledky nemusí být vždy ideální, Při úpravách a vytváření sítě je nutné mít vždy určité praktické zkušenosti. Pro začínající uživatele doporučujeme volit jednoduché úlohy, které lze ověřit analytickým řešením. Výsledky nebudou samozřejmě díky podstatě metody stejné, ale neměli by se výrazně lišit. Pro začátek uvažujme s tolerancí 15 až 20%.

Principů metod konečných prvků lze využít v praxi obecně pro řešení řady technických problémů, mezi nejznámější patři lineární úlohy, tepelné namáhání a modální analýza. Doporučujeme navštívit některé z MAI partnerů firmy Autodesk na adresách http://www.designspace.com nebo http://www.cosmosm.com.