понедельник, 16 декабря 2013 г.

Autodesk Simulation на ранних стадиях проектирования.Часть 3. Примеры проектов

Третья часть публикации по докладу "Преимущества Autodesk Simulation на ранних стадиях проектирования", на конференции "Autodesk Simulation – инновационные технологии инженерного анализа", 17 октября 2013.
Иллюстративная часть, подтверждающие прошлые тезисы о том как именно CAE пакеты типа Autodesk Simulation могут помочь при их правильном использовании, особенно если это использование начинать вовремя (т.е. пораньше)
Прошлая часть тут, остальные тут (123, 4).

картинка для привлечения внимания:
У нашего коллектива накоплен достаточно большой опыт решения различных проблем возникающих у предприятий и проектных организациях. Хочется заметить, что большая часть проблем с которыми к  нам обращаются, были заложены еще на этапе концепции. И если на этапе концепции с ними даже не нужно бороться, можно просто выбрать более удачный вариант, то когда конструкция полностью спроектирована, и нередко даже уже изготовлена или, что еще хуже - пошла в серию... То решать эти проблемы бывает достаточно трудно. Особенно если заказчик требует "косметических" изменений, потому что иначе придется полностью переделывать и проектную документацию и технологию и оснастку. В общем, нужно переделывать все. А сроки, обычно, к этому времени давно сгорели.

В качестве иллюстрации в данной публикации будут приведены три проекта - гидрообъемная передача (ГОП), цистерна автотопливозаправщика и элемент захвата руки робота-манипулятора.

Гидрообъемная передача
ГОП это один из вариантов бесступенчатой передачи. Подобные конструкции бывают выступают как полностью заменой коробки передач или механического вариатора, так и дополнительным элементом, который сглаживает рывки между переключениями передач.

ГОП о которой идет речь, в данном случае, второго назначения и она предназначена для работы в транспортном средстве оснащенном достаточно мощной силовой установкой - более 1000 л.с. Момент на валу, обороты и другие нагрузки достаточно высоки и рывки для трансмиссии, не просто опасны, а смертельны. Задача ГОП состоит не только в том, чтобы сгладить для трансмиссии рывки которые идут от переключения передач на КПП. Также важно что транспортное средство при преодолении различных препятствий передает рывки в обратную сторону вплоть до двигателя, что также было бы желательно сгладить. 
Некоторые развернутые комментарии. У большинства конструкций особенно не стационарных а мобильных требования к габаритам являются достаточно жесткими, однако в данном случае ситуация обострялась тем, что в уже существующую конструкцию, которая обладала плотной компоновкой, надо было добавить новый ранее отсутствующий элемент, причем так, чтобы исходную конструкцию надо было внести минимальные изменения. Так диаметр представленной на слайде конструкции около 200 мм.

При взаимодействии поршня в виде шара с цилиндрическим каналом для его перемещения получается тип контакта, который существенно отличается от того, что допускается в теории Герца. Кроме того в отдельных случаях происходит контакт шарообразного поршня с шарообразным же "пазом", которым заканчивается канал поршня. В обоих случаях происходит выпукло-вогнутый контакт тел с близкой кривизной. Также следует заметить, что на самом деле, шар перекатывается по канавке в статорном кольце (которое не показано на рисунках), что также влияет на напряженно-деформированное состояние (НДС). 
Таким образом, раз условия работы существенно сложнее тех, которые можно рассчитать по точным аналитическим или упрощенным эмпирическим подходам, то невозможно определить характеристики контактных пар (пятно контакта, контактное давление и картина его распределения и пр.), невозможно правильно распределить нагрузки. Невозможно без использования большого количества специфических и дорогостоящих натурных экспериментов, либо численного моделирования, которое реализовано в CAE комплексах таких, как Autodesk Simulation.
При этом следует отметить, что конструкция должна эксплуатироваться достаточно длительное время, и получается необходимым учитывать долговременную прочность при многоцикловом нагружении. На самом деле, по хорошему, кроме многоцикловой усталости, имеет смысл учитывать еще и малоцикловую усталость от рывковой нагрузки, но в данном случае она не учитывалась, так как отсутствовали данные необходимые для ее учета. 

Немаловажным является и высоконагруженность данного устройства. Так например, она подвергается воздействию внутреннего давления. И это давление в ходе работы превышает 30 МПа. Только давление, без ничего больше составляет 1/10 от предела прочности конструкционной стали. Если сюда добавить, что запас прочности должен быть не менее 3х, то только нагрузка дает треть от предела прочности. Естественно, что существуют стали и с более высокими механическими свойствами, но ведь и давление приложенное к конструкции приводит к более высоким напряжениям. 
И кроме того, на конструкцию действуют еще нагрузка от давления шара, а это ни много, ни мало  10 тонн. Также следует учесть вращение конструкции и достаточно высокую температуру которая действует на нее. 
Если оценить уровень возникающих напряжений от всех факторов то даже для очень хороших сталей с пределом прочности выше 1000 МПа, получается около 0.3. И это не численная ошибка, потому что первые реальные варианты данной конструкции мягко скажем быстро ломались. Можно даже сказать разрывались, как хомячки от капли никотина.

Именно по этому у разработчиков и возникла необходимость в численных расчетах в CAE, с тем чтобы найти и устранить причины. В ходе работы было выявлено большое количество проблем, например проблема высокого давления, которая приводила к высоким напряжениям на стенках цилиндра, по которому движется поршень. Были определены контактные напряжения, деформация шарового поршня и многое другое.
Однако более существенным является то, что были найдены не только очевидные, но и некоторые не очевидные проблемы. Так например максимальные напряжения в исходной конструкции возникали не на поверхности, а внутри металла в тонком месте. При этом на поверхности рядом, напряжения были существенно ниже, и никакими экспериментальными методами (например тензометрированием, или даже голографированием) это выявить не представляется возможным. Только численно.
Так как высокие напряжения возникали в конструкции в достаточно малом объеме, было принято решение модифицировать конструкцию, сделав ее из обычной конструкционной стали (в целях экономии) и разместив внутреннюю втулку в цилиндре, которая изготовлена из высокопрочной стали. Также, чтобы компенсировать внутреннее давление, было принято решение вставлять данную втулку с натягом. В итоге это позволило существенно снизить напряжения, что видно на слайде ниже, и при этом существенно удешевить конструкцию. В то же время, решив одну из проблем (высокие напряжения у поверхности цилиндра), внесение изменений привело к возникновению новых. Так например, на слайде выше, справа показано что от введения втулки посаженной с натягом, усилились концентраторы на внешней поверхности корпуса и возникли новые концентраторы в глубине ГОП, в месте торцового стыка втулки с корпусом.

Подобная ситуация является, вполне естественной для процесса проектирования, однако прелестью Autodesk Simulation и других CAE решений, является то, что их можно найти и устранить до изготовления опытного образца. Существенно сэкономив на времени и материалах. Также, численные расчеты позволяют "заглянуть" туда, куда не получится другими способами. Это позволяет лучше понять, как работает конструкция, и как решать возникающие в ней проблемы.
На слайде выше показаны два варианта конструкции - со втулкой без натяга (слева), и со втулкой с подобранной величиной натяга. Картины напряжений отнормированы относительно единой шкалы. Видно что подбор величины натяга и толщины втулки позволяет существенно снизить уровень напряжений. Причем снизить не только во втулке, но и в целом по конструкции. При этом следует отметить, что подбор рациональных параметров толщины и натяга являются задачами нелинейными. Особенно с учетом того, что эксплуатационные нагрузки меняются в широких пределах. Необходимо учесть, что при любой комбинации нагрузок, до определенного момента натяг выступает в роли их компенсатора, а потом его влияние начинает превалировать и в конструкции получаются высокие напряжения  именно от натяга. Как уже говорилось нагрузки в отличии от натяга во время эксплуатации меняются, и от того только серьезные расчетные исследования могут позволить  сделать пусть не оптимальную, но работоспособную и рациональную конструкцию.

Следует отметить, что анализ проблем, позволил разработать вариант конструкции отличающийся и формой втулки и некоторыми параметрами корпуса и множеством других вещей, которые смогли поднять запас с 3.2 (что находилось на грани допустимого) до более приятных 4.7. В то же время, все эти изменения оставили конструкцию в исходном габарите и привели к минимальным изменениям в технологии изготовления, а значит стоимости.

Итоги:

  • Подбор материала: корпус из конструкционной стали, втулка из высокопрочной (7.7%)
  • Подбор оптимального натяга для системы втулка-корпус (значение запаса выросло с 0.3 до 3.2)
  • Поиск и устранение проблемных мест за счет подбора формы компонентов и значения параметров (запас с 3.2 вырос до 4.7)



Цистерна автопопливозаправщика

Цистерна представляет из себя тонкостенную конструкцию, изготовленную из листового металла толщиной 4-15 мм. Конструкция достаточно габаритна (пару метров в высоту и шиниру, и от двух метров и до... в длину). При этом, если говорить о конкретной конструкции, то она предназначена для работы на аэродромах, и в ходе эксплуатации должна двигаться с достаточно высокими скоростями по относительно ровной местности, но при этом обладать малым радиусом поворота на больших скоростях и обладать хорошими тормозными и разгонными характеристиками.
Речь идет о серии цистерн с объемом от 20 и до 40 м3. Кроме приличного веса топлива, и ускорений от движения, на конструкцию действует еще и внутреннее давление в сотни кПа. Не смотря на то что оно в сотни раз меньше, чем давление, которое было в предыдущей задачи, для тонкостенной конструкции это давление является достаточно высоким. 

Итак, цистерна автотопливозаправщика характеризуется:
  • разнообразием конструкций и нагрузок
  • Высокими внутренние давления (для тонкостенных конструкций) 
  • Высокими динамическими нагрузками

На слайде за счет разбиения половин цистерны с разной сеткой видно, что качественная картина НДС не отличается ни при достаточно мелкой (читай качественной) сетке, так и при достаточно грубой. Это позволяет проводить компьютерные расчеты со скоростью даже более высокой чем ручные расчеты по упрощенной сопроматовской методике. В условиях концептуальной проработки, когда нужно оценить различные решения и подобрать базовый конструктив более важным, чем это является только то, что внесение изменений в конструкцию осуществляется также с крайне высокой скоростью за счет отсутствия большого количества мелких подробностей, которые можно уточнить и на более поздних этапах.
Так как условия эксплуатации подобных конструкций крайне различны, то существует огромное количество вариантов исполнения. Существует большое количество возможных сечений цистерны.   Некоторые из них показаны на слайде ниже. 
Также цистерны отличаются и конфигурацией в поперечном сечении. Самое простое - постоянного сечения. Но бывают и ступенчатые, и даже достаточно сложные, которые характеризуются не только изменением геометрии в продольном, но и в поперечных сечениях.
Так как один и тот же объем можно получить различными комбинациями основных геометрических параметров, а высота уровня жидкости влияет на нагруженность конструкции, то имеет смысл делать конструкции как можно ниже. Особенно актуальным это становится при движении в поворотах, т.к. возможность опрокидывания, кроме прочего зависит от высоты центра тяжести. В то же время длина не может быть бесконечной и зачастую ограничена колесной базой, а ширина - габаритами. Также необходимо учесть что чем больше длинна конструкции тем больше нужно делать отсеков и тем выше будет нагрузка на цистерну при старте торможении, а ширина конструкции влияет на нагруженность конструкции в поворотах.
Исследуя различные комбинации основных геометрических параметров и типы цистерн, можно увидеть, что отклик цистерн на различные типы нагрузок отличается не только количественно, но и качественно. Так одни цистерны лучше себя ведут при торможении стартах, другие при поворотах,  третьи при перегрузках при заполнении  и т.д. Примером качественной и количественной разницы в реакции двух различных по типу, но одинаковых по объему цистерн на одну и ту же нагрузку можно увидеть на рисунке выше.

Именно поэтому цистерны необходимо проверять на соответствие целому ряду требований, в условиях принципиально различных нагружений. Те нагрузки, которые являются наиболее значительными для большинства цистерн различного назначения обозначены как сертификационные. Для этих нагрузок  необходимо проводить натурные испытания, на базе результатов которых принимается решение о соответствии конструкции требованиям. Увы, компьютерные расчеты часто не являются аргументом в данном случае. Однако, благодаря компьютерным расчетам как в Autodesk Simulation можно существенно быстрее и дешевле дойти до сертификационных испытаний, за счет отсутствия необходимости создания натурных образцов и проведения сертификационных испытаний. Autodesk Simulation может позволить проходить подобную сертификацию с первого раза.

Натурные (сертификационные) испытания:
  • Частичное заполнение (25, 50, 75, 100%)
  • Избыточное давление (до 500 кПа)
  • Разрежение (до 125 кПА)
  • Кососимметричное нагружение
Нужно сказать, что условия эксплуатации могут наложить свои требования, которые не учтены в обычном списке сертификационных испытаний, однако при этом их нельзя назвать несущественными.
В данном случае исходя из назначения и эксплуатации известно, что нужно учитывать:
  • Заполнение
  • Разгон и торможение (до 6 м/с2)
  • Повороты
  • Колебания жидкости
Ниже на слайде показано подтверждение ранее описанному тезису о том, что различные эксплуатационные нагрузки приводят к принципиально различным результатам. Различным не только по значениям напряжений, но и по местам, которые подвергаются нагрузке. Так на рисунке показаны результаты четырех статических расчетов, в которых согласно принятой методике моделируется поведение цистерны при разгоне, торможении, повороте и заполнении. Все картины отображены с единой шкалой, и хорошо показывают, что есть места, которые работают с повышенными/пониженными напряжениями при любых вариантах нагружения, а есть места которые работают только в каком-то определенном случае.
По результатам расчетов можно провести подбор толщин. При этом Autodesk Simulation позволяет сделать не только для всей конструкции одновременно, но и различные значения толщин для разных мест конструкции. Так на слайде ниже приведены три варианта:
  1. "монотолщинка" 5 мм. (нижний левый)
  2. "монотолщинка" 15 мм. (верхний правый)
  3. разнотолщинная с толщинами от 5 до 15 мм (центральный)

Все картины НДС показаны с единой шкалой. Из результатов хорошо видно,  что за счет рационального выбора толщин можно совместить в одной конструкции плюсы обоих конструкций: малый вес (из первой цистерны) с отсутствием зон с повышенными напряжениями (из второй) и избежать их же минусов.

Итог. Осуществлен:

  • Выбор рациональных конструкций и параметров
  • поиск проблемных мест (и их устранение)
  • Подбор толщин (всего 12% конструкции превышают базовую толщину более чем в 1.5 раз)


Что еще следует заметить. Использование компьютерных расчетов не прекратилось со стадией концептуального моделирования, и CAE использовалось в течение всего проектирования вплоть до этапа натурных испытаний. Когда были проведены натурные эксперименты, причем не только те, что обязательны для сертификации, оказалось, что среднеквадратическая погрешность составляет:



  • Статические исследования - 3.2%
  • Динамические исследования - 7.5%
Данную тему считаю нужным закончить тем утверждением, что компьютерные расчеты позволяют не только лучше спроектировать конструкцию, но и поставить экспериментальные исследования.

Оптимизация "захвата" руки робота манипулятора


С 6-го сентября по 6-е октября компания Autodesk и портал GrabCAD.com проводили совместный конкурс. Суть его заключалась в том, чтобы используя CAE решения компании Autodesk провести оптимизацию конструкции захвата руки манипулятора по критерию минимизации массы. Условия конкурса:

  • Исходный вес - 130 кг
  • Материал - сталь с пределом текучести 248 МПа
  • Максимально допустимые перемещения - 8 мм.
  • ПО - Autodesk Sim 360
Исходная геометрия, условия нагружения и закрепления приведены на слайде ниже.

В конкурсе участвовали инженеры со всего мира. В течение месяца было подано 139 работ. Если исключить повторяющиеся работы от одних авторов, то все равно остается более 100 различных работ. Естественно есть большое количество схожих решений, однако все же большая часть решений достаточно уникальна. Некоторые из них представлены на слайдах ниже:



В дальнейшем планируется отдельная публикация по данному конкурсу с разбором подробностей, пока же некоторые итоги конкурса:
  • Более 100 решений
  • Наибольшее количество оптимизаций - 50-80 кг
  • Много вариантов в районе 28-40 кг
  • наилучший результат ~ 19 кг
  • Среднее сокращение массы - 3.7 раз
  • Наибольшая экономия - 6.8 раз


Официальные итоги конкурса,  с победителями уже объявлены и хотелось бы по похвастаться тем фактом, что второе и третье место досталось нашим студентам: Дмитрию Мухину и Екатерине Харламовой.


Васильев Антон для adsk.tmm-sapr.org