Sprzęgnięcie analizy ruchu z symulacją wytrzymałościową w Simcenter 3D na przykładzie modelu koparki

Rys. 1. Model koparki

 

W trakcie opracowywania konstrukcji wyrobów konstruktorzy chcą być pewni jakości projektowanego produktu. W tym celu przeprowadza się analizy wytrzymałościowe. Najtrudniejszą rzeczą w przygotowaniu obliczeń, moim zdaniem, jest dobranie warunków brzegowych. Na przekładzie ramienia koparki przedstawiam możliwości analizy ruchu oraz połączenie wyników takiej analizy z symulacją wytrzymałościową.

Ktoś może zadać pytanie: po co symulacja ruchu? Odpowiedź jest prosta: aby sprawdzić, jakie siły oddziaływają na naszą konstrukcję podczas całego ruchu. Symulacja ta, oprócz sprawdzenia zakresu ruchu i wykrycia kolizji pozwala również wyświetlić siły i momenty działające na poszczególne elementy, w formie tabelarycznej lub w formie wykresu. Opracowując zakres ruchu można uwzględnić czynniki bezpośrednio wpływające na nasze urządzenie tj.: siłowniki, sprężyny, elementy amortyzujące, tarcie.

W modelu koparki zastosowano połączenia uwzględniając pracę siłowników.

Model koparki ze zdefiniowanymi połączeniami

Rys. 2. Model ze zdefiniowanymi połączeniami

 

Włączając symulację można prześledzić ruch koparki z symulacją wydobycia kruszywa, sprawdzić kolizje, zakresy ruchu, trajektorię pracy itp.

Symulacja ruchu koparki w Simcenter 3D
Rys. 3. Symulacja ruchu koparki.

 

Na podstawie przeprowadzonej symulacji możemy wyświetlić w formie wykresów dane nt. przemieszczeń, przyśpieszeń, prędkości, a także sił poszczególnych połączeń. Oprócz informacji o wartościach można włączyć animację połączoną z analizowanym wykresem.

Wykresy sił, przyśpieszeń, prędkości, przemieszczeń podczas ruchu koparki w Simcenter 3D

Rys. 4. Wykresy sił, przyśpieszeń, prędkości, przemieszczeń podczas ruchu.

 

Na ramię koparki oddziałują siły od siłowników, które odpowiednio nim manipulują, siły od łyżki, która jest obciążona wydobytym materiałem oraz od grawitacji. Trudno jest jednoznacznie powiedzieć, jak dokładnie zdefiniować warunki brzegowe oraz jaka dokładnie ma być ich wartość, tak aby analizowana konstrukcja odzwierciedliła stan rzeczywisty pracy. Ponieważ symulacja ruchu pozwala wyznaczyć takie siły w trakcie pracy, możemy je przenieść do obliczeń wytrzymałościowych. Dzięki poleceniu „Load transfer” program analizuje wszystkie połączenia ruchome z wybraną częścią. W arkuszu Excela wyświetla wszystkie składowe sił i momentów podczas pracy. Ponieważ dane są zgromadzone i podzielone w kolumnach w Excelu, łatwo odnaleźć, w którym kroku na nasz model działają największe wartości sił i momentów.

Wykresy sił działające na ramię koparki

Rys. 5. Wykresy sił działające na ramię koparki

 

Wyznaczenie maksymalnych sił podczas pracy przy pomocy Excela

Rys. 6. Wyznaczenie maksymalnych sił podczas pracy przy pomocy Excela

 

Po wybraniu kroku z największymi wartościami sił, można przejść do danego kroku i dodać krok do analizy. W naszym przypadku jest to krok 856 czyli 11.128s czasu animacji. Po zapisaniu modelu dane będą dostępne jako warunki obciążenia w Simcenter 3D.

Tworzenie analizy wygląda tak samo, jak w przypadku obliczeń strukturalnych. Tworzymy model obliczeniowy, idealizujemy geometrię, tworzymy siatkę, przypisujemy materiały.

W pliku obliczeniowym SIM importujemy dane z analizy ruchu:

Import warunków brzegowyc

Rys. 7. Import warunków brzegowych.

 

W miejscach połączeń program automatycznie wstawia układy współrzędnych oraz wartości sił. Po utworzeniu siatki oraz połączeń sztywnych z obciążonymi punktami model jest gotowy do obliczeń.

Warunki brzegowe zadane na model MES

Rys. 8. Warunki brzegowe zadane na model MES.

 

Obciążenia zadane na model są zdefiniowane jako obciążenie zmienne w czasie – czas trwania analizy ruchu. Chcą sprawdzić wytrzymałość w opcjach analizy należy podać, dla którego kroku czasowego chcemy sprawdzić model. W innym przepadku wzięty będzie pierwszy krok czasowy. W opcjach analizy wprowadzono 11.128s.

Wyznaczenie dla którego kroku czasowego ma być przeprowadzona analiza

Rys. 9. Wyznaczenie dla którego kroku czasowego ma być przeprowadzona analiza.

 

Ze względu na przeniesienie danych z modułu Motion, siły, momenty są zadane w punktach, w których były zdefiniowane połączenia. W modelu nie wprowadzono utwierdzeń; aby w trakcie analizy nie pojawiał się komunikat o braku podpór, w opcjach analizy należy zaznaczyć pozycję Inertia Relief, która spowoduje, że model zostanie poprawnie przeliczony.

Włączenie opcji Inertia Relief

Rys. 10. Włączenie opcji Inertia Relief.

 

Po przeprowadzeniu analizy można przeprowadzić postprocessing.

Widok naprężeń w Simcenter 3D

Rys. 11. Widok naprężeń.

 

Wyniki naprężeń

Rys. 12. Wyniki naprężeń.

 

Wyniki przemieszczeń

Rys. 13. Wyniki przemieszczeń.

 

Wyniki przemieszczeń

Rys. 14. Wyniki przemieszczeń.

 

W przedstawiony powyżej sposób wykonania symulacji ruchu pozwala na bardzo szybkie i jednocześnie łatwe wykorzystanie danych o obciążeniach z analizowanych części do symulacji wytrzymałościowej. Moduł Motion pozwala nie tylko sprawdzić możliwości ruchu, sprawdzić zakres pracy, wyznaczyć trajektorię pracy, wykryć kolizje czy utworzyć obszar pracy elementów, ale również daje użytkownikowi ogromną ilość danych: prędkości, przyśpieszenia, siły i momenty działające na elementy podczas ruchu. Dzięki temu możemy wyznaczyć dokładne i realistyczne warunki brzegowe oddziałowujące na naszą konstrukcję i sprzęgnąć ją z analizą wytrzymałościową w Simcenter 3D.

Zapraszamy do śledzenia naszego bloga, gdzie pokazujemy poszczególne funkcjonalności systemu Simcenter 3D.

Opracował
Michał Sroka
michal.sroka@gmsystem.pl