Systemy CAE – rozwiewamy najczęstsze wątpliwości
„Systemy CAE, obliczenia MES, wytrzymałość – po co mi to wszystko, do czego może mi się to przydać? Obecnie moja firma działa prężnie i bez takich programów.”
Często spotykam się z powyższymi tezami, i muszę w jednym przyznać rację – tak, te firmy wciąż działają bez systemów CAE oraz bez obliczeń inżynierskich. Czy to dobrze? Odpowiedź może być tylko jedna – nie. A dlaczego? Przedstawię to poprzez wyjaśnienie czym są te systemy, do czego służą i co możemy dzięki nim osiągnąć.
CAE – Computer-Aided Engineering czyli komputerowe wspomaganie prac inżynierskich. Głównym celem jest cyfrowe sprawdzenie rzeczywistego zachowania się konstrukcji zanim projekt zostanie fizycznie wykonany. Ma to na celu ograniczenie kosztów związanych z prototypowaniem i testowaniem. Przynosi wymierną korzyść, którą łatwo policzyć znając koszt materiału, wytworzenia i przeprowadzenie specjalistycznych badań.
„Ale my nie robimy prototypów ani testów – to nam nie jest potrzebne.”
Nie każda firma robi prototyp konstrukcji która jest fizycznie badana i CAE mogłoby zminimalizować ten proces, ale cyfrowy bliźniak to nie tylko zachowanie się prototypu. To przede wszystkim sprawdzenie, czy nasze rozwiązanie i koncepcje są słusznie założone oraz jaki mamy margines bezpieczeństwa. Oprócz tego możemy sprawdzić różne technologie, np. co będzie korzystniejsze przy łączeniu tych samych elementów – spawanie, skręcanie, zgrzewanie, a może połączenie typu pióro wpust. To wchodzimy w technologię montażu, ale cyfrowy bliźniak pokaże, czy konstrukcja będzie tak samo wytrzymała. Może się okazać, że nowa technologia montażu będzie dużo tańsza (brak specjalistycznego oprzyrządowania, narzędzi, czas operacyjny) a dzięki możliwości przeprowadzenia inżynierskiej analizy wyrobów będziesz przekonany o słuszności wyboru konkretnego rozwiązania.
„Nasze wyroby wytrzymują i nie potrzebujemy nic zmieniać.”
Takie argumenty również się pojawiają. Często mając późniejszy kontakt z osobami, które wcześniej takie argumenty wysuwały słyszę: „Panie Michale, jak to możliwe że oni mają taką samą konstrukcję, blachę mają dużo cieńszą, a u nas wszystko się posypało, kiedy spróbowaliśmy wprowadzić takie rozwiązanie.” Odpowiem na to tak, „kto stoi w miejscu ten się nie rozwija”. Czasem okazuje się, że ktoś potrafił zoptymalizować konstrukcję, zmodyfikować miejsca newralgiczne aby zachować wytrzymałość przy zastosowaniu tańszych materiałów – mam namyśli: mniejsze grubości, tańsze zamienniki materiałów lub zastosowanie kompozytów. Pamiętaj o tym, że rynek się zmienia, dziś możesz nie mieć konkurencji, a jutro Cię ona przegoni…
„Po mam oszczędzać materiał, skoro to klient końcowy zapłaci?”
Oczywiste jest, że nie pracujesz charytatywnie i rzeczywiście klient końcowy zapłaci za Twój wyrób, jednak możesz go zachęcić innymi korzyściami wynikającymi z Twojej konstrukcji, która została zoptymalizowana za pomocą programów CAE. Jeżeli dasz klientowi np. wywrotkę z większą ładownością przy tym samym nacisku na oś, może on wykonać 6 zamiast 7 transportów. Klient ma realny zysk w postaci jednego transportu mniej. Ty jesteśmy bardziej konkurencyjni na rynku. Klient
chętniej zapłaci więcej, ponieważ dajesz mu większe możliwości. Twoja konstrukcja jest lżejsza, a co za tym idzie tańsza o zaoszczędzony materiał. Daje to podwójną korzyść.
„CAE i MES są za trudne i nie mamy do tego ludzi którzy mogli by się tym zająć.”
Właśnie przez ten argument powstały analizy multiphysics łączące różne dziedziny fizyczne, więc użytkownik zadaje warunki brzegowe i liczy, a solver dobiera parametry za niego.
Może się też okazać, że CAE już u Ciebie jest, tylko nie zdajesz sobie z tego sprawy. Systemy CAD posiadają już wbudowane narzędzia do inżynierskich analiz wspomaganych komputerowo. Solid Edge ma wbudowany solver Simcenter Nastran, który pozwala na analizę strukturalną cieplną, a za pomocą dodatku FLOEFD dodatkowo na analizy cieplno-przepływowe. Oczywiście jak się zachowa konstrukcja w warunkach pracy cieplno-przepływowej też jesteś w stanie sprawdzić.
Solid Edge jest typowym systemem CAD dla konstruktora, wiec człowieka do pracy już masz – wystarczy go przeszkolić z obliczeń MES, które również posiadasz.
Jeżeli potrzebujesz bardziej zaawansowanych narzędzi, lub narzędzi dla osób chcących mieć większy wpływ na budowę modelu obliczeniowego, zaoferowałbym Femap oraz Simcenter 3D.
Chcąc wykonać najbardziej zaawansowane analizy cieplno-przepływowe z bardzo szczegółowym zachowaniem się zagadnień fizycznych mogę polecić Star CCM+.
Do optymalizacji projektów możesz użyć dostępnych narzędzi w Solid Edge, Femap, Simcenter oraz HEEDS, który dodatkowo zintegruje model CAD z zaawansowanymi analizami. Jeśli zajmujesz się budową instalacji rurociągowych i chcesz szybko policzyć spadki ciśnień, temperatury itd. to polecam FloMaster.
Już wiesz, w jakich sytuacjach możesz wykorzystać systemy CAE. Teraz krótko powiem, co możemy za pomocą nich zrobić z naszymi cyfrowymi bliźniakami.
- Sprawdzenie wytrzymałości.
Czyli obliczenia statyczne, dynamiczne, analizy nieliniowe, wyboczeniowe. Są to analizy które sprawdzają zachowanie konstrukcji przy założonym obciążeniu. Szereg specjalizowanych narzędzi pozwala na realistyczne zachowanie konstrukcji w rzeczywistych warunkach pracy. Można przewidzieć, czy konstrukcja podoła założonym obciążeniom, czy możemy ją odchudzić lub zmodyfikować jakieś połączenia aby móc zastosować tańsze rozwiązania technologiczne. Daje to pewność, że konstrukcja nawet, jeżeli będzie musiała przejść fizyczne badania, przejdzie je bez problemu.
- Analizy termiczne, przepływowe, cieplno-przepływowe.
Daje możliwość analizy jak konstrukcja będzie się zachowywała w określonych warunkach cieplnych, czy nie będzie się przegrzewała, a także czy zastosowane radiatory będą wystarczające. Możesz sprawdzić kanały przypływu płynu przez konstrukcję. Dzięki temu wiesz, że będzie ona optymalnie dostosowana do pracy z uwzględnieniem rozszerzalności cieplnej, radiacji, a elementy nie będą się przegrzewały utrudniając użytkowanie konstrukcji. Postęp technologiczny w dzisiejszych czasach wymusza używanie wszelkiej maści elektroniki. Komponenty elektroniczne/baterie w trakcie użytkowania potrafią się nadmiernie nagrzewać, w skrajnych sytuacjach doprowadzić do wybuchu.
- Analizy hałasu.
Coraz częściej my, konsumenci wymagamy komfortu użytkowania w postaci bezgłośnej pracy urządzeń. Chcielibyśmy na przykład, żeby odkurzacz był niesłyszalny. Dźwięk czyli fala akustyczna powstaje poprzez drgania powierzchni. Oczywiście oprogramowanie CAE pozwala sprawdzić, jak będzie się rozchodziło źródło dźwięku, jak będą się odbijały fale dźwiękowe itd.
- Analizy komfortu czyli HAVC (ang. heating, ventilation, air conditioning).
Czyli odczucia jakie towarzyszą użytkownikowi i jak reagują jego bodźce na źródła ciepła, przepływu powietrza, tak aby nie czuł dyskomfortu kiedy na przykład jest mu zimno w nogi, a gorąco w głowę. Przypominam, że zaczęło się lato, więc można powiedzieć sezon otwarty na narzekania że klimatyzacja za głośno chodzi lub jest przeciąg, bo okno otwarte. Wykorzystując symulacje CAE można zaprojektować urządzenia tak aby nikt nie odczuwał dyskomfortu. Zdecydowanie zwiększa to konkurencyjność oraz szanse na polecenia.
Oczywiście można przeprowadzać poszczególne analizy osobno, jednak systemy CAE są już tak rozwinięte, że dają możliwość łączenia ich w sprzężone analizy wykorzystując poszczególne zagadnienia fizyczne, jakie oddziałują na naszą konstrukcję. Są to najbardziej złożone analizy, lecz nie znaczy, że najtrudniejsze. Po prostu proponowane rozwiązania pozwalają na uwzględnienie różnych warunków brzegowych, które działają na konstrukcję. Na przykład jadąc samochodem opływające powietrze wpływa na drgania szyby. Samo w sobie jest już źródłem hałasu, drgania szyby powodują dodatkowe źródło hałasu, w trakcie drgań odkształca się szyba nieznacznie zmieniając kształt opływu itd… Podany przykład jest może skomplikowany, ale przecież mamy prostsze – gorące powietrze przepływające przez zawór może spowodować rozszerzenie się elementów i w przypadku błędnie zaprojektowanej konstrukcji może się zablokować na skutek zmiany kształtu.
Ze względu na szerokie portfolio ciężko wskazać jedno rozwiązanie. Narzędzia mamy skalowalne i dopasowane do potrzeb użytkownika. Żeby dowiedzieć się więcej na temat omawianych powyżej programów, wypełnij formularz kontaktowy, a nasz specjalista podpowie produkt najodpowiedniejszy do Twoich potrzeb. Formularz znajdziesz TUTAJ >>
Autor: Michał Sroka