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

Artykuł Systemy CAE – rozwiewamy najczęstsze wątpliwości pochodzi z serwisu GMSystem.

Hierarchia życia produktu jest taka, że najpierw konstruktor dostarcza gotową geometrię CAD, obliczeniowiec ją sprawdza w CAE, a technolog przygotowuje obróbkę CAM.
Konstruktor ma swoje zadanie i np. nie przygotowuje 2 lub więcej modeli dla technologa, aby miał model przed i po obróbce. To technolog za pomocą odstępnych narzędzi przygotowuje odpowiednio obróbkę zadając odpowiednie parametry prefabrykatu (odkuwka, odlew, blok).

W przypadku CAE jest podobnie. To system dostarcza szereg narzędzi do obróbki modelu pod obliczenia. Tak więc podział ról i obowiązków jest zachowany
Konstruktor opracowuje koncepcję nowego wyrobu, a analityk jest odpowiedzialny za jej sprawdzenie. Czy da się to jakość uprościć, aby ta sama konstrukcja mogła być policzona bez konieczności dokonywania żadnych zmian? Tak, to jest możliwe, ale nie jest to zalecana metoda. Każdy model CAD 3d w MES musi być dyskretyzowany, co oznacza, że na geometrię 3D nakładamy siatkę elementów skończonych – im więcej szczegółów geometrycznych tym większa jest siatka, a to wydłuża czas obliczeń. Dlatego w CAE zaleca się zoptymalizować geometrię pod obliczenia, aby były one wykonane szybko przy zachowaniu wysokiego poziomu dokładności wyników odzwierciedlających rzeczywisty model. Co to oznacza? Tylko i aż tyle, że możemy pominąć w modelach różne cechy geometryczne o znaczeniu technologicznym, np. fazy lub zaokrąglenia, otwory technologiczne, które nie mają wpływu na wynik, ale mogą spowodować gęste tworzenie siatki wydłużając czas obliczeń. Oczywiście ktoś może powiedzieć: „OK, ja mam mocny komputer i nie mam czasu na obróbkę geometrii”. Można model sprawdzić pod kątem wytrzymałości bez żadnych uproszczeń i być może przy pierwszym obliczeniu zajmie to mniej czasu, co przygotowanie modelu i obliczenia jednak, jeżeli na skutek wyników tej analizy zdecydujemy się na jakieś poprawki, to kolejne przeliczenie będzie zdecydowanie szybsze.

Przedstawiłem już, dlaczego powinno się przygotowywać model pod obliczenia, ale nie mówiłem jeszcze, jak to się odbywa, ile to trwa i jak tajemnej wiedzy potrzeba, aby wykonać te operacje.

Ponieważ zostało już przedstawione z jakich systemów CAE możemy korzystać, teraz powiem o narzędziach dostępnych w poszczególnych programach:

• Solid Edge Simulation – bazuje na natywnej geometrii CAD. Ponieważ cały czas jesteś w środowisku CAD, uproszczenia można zrobić w konfiguracji model uproszczony i tam dokonać odpowiedniego przygotowania. Daje to możliwość wyboru, z którego wariantu części skorzystać. W przypadku części blaszanych można skorzystać z automatycznego utworzenia powierzchni środkowych i model pod obliczenia przygotować korzystając z siatki 2D. Tak więc Solid Edge Simulation w bardzo dużym stopniu korzysta z geometrii bezpośrednio od konstruktora. Oczywiście ma narzędzia, aby przygotować sobie model pod obliczenia. W Solid Edge użytkownik skupia się w sumie na zadaniu warunków brzegowych. Czas obliczeń może być dłuższy, ale konstruktor nie będzie się zastanawiał co i w jaki sposób ma przygotować.
• FLOEFD – system CAE do analiz cieplno-przepływowych CFD wbudowany w system CAD. Korzysta z narzędzi do obróbki geometrii z macierzystego CAD, czyli jeżeli posiadasz Solid Edge to pracujesz w tym systemie i korzystasz z narzędzi, które znasz. Dodatkowo, siatka w FLOEFD jest siatką kartezjańską, czyli składa się wyłącznie z sześcianów i jeżeli dany sześcian przecina naszą geometrię to program bierze do obliczeń daną objętość. Dodatkowo program dysponuje narzędziami, które pozwolą na szybkie wyznaczenie objętości przepływu. Rezultatem jest praktycznie brak konieczności przygotowywania modeli pod obliczenia. Jest to bardzo szybkie i wydajne narzędzie, dlatego jest dedykowane konstruktorom, aby nie zastanawiali się on co i jak mają przygotować.
• Femap – Program CAE dla inżynierów analityków. Posiada narzędzia do obróbki geometrii oraz bardzo dobry mechanizm tworzenia powierzchni środkowych na podstawie modeli 3D. Doskonałe narzędzia do podziału geometrii 3D pod siatki Hexa. Obróbka geometrii przydaje się, aby odpowiednio i szczegółowo przygotować siatkę. Już od wielu wersji Femap oferuje narzędzia do sterowania siatką, a w tle modyfikuje się geometria, więc analityk skupia się na siatce a nie geometrii, co ułatwia i przyśpiesza pracę.
• Simcenter 3D – System CAE oparty o interfejs NX, gdzie preprocesorem jest NX CAD, więc narzędzia do modelowania są najlepsze na rynku, ponieważ jest to typowy parametryczny system CAD. Dodatkowo Simcenter 3D posiada strukturę plików obliczeniowych, w której może być dodatkowo utworzony model idealizowany. Jest to model CAD (o typowym dla NX rozszerzeniem *.prt), ale zmiany dokonywane w nim nie wprowadzają żadnych modyfikacji w oryginalnym modelu, więc konstruktor może spać spokojnie, ponieważ nikt mu nie zmieni modelu, a produkcję pójdzie właściwy model Natomiast model idealizowany jest cały czas powiązany z oryginalnym plikiem, co oznacza, że w przypadku, gdy konstruktor dokona w nim zmian, to w części idealizowanej będą one widoczne. Podobnie jak w przypadku Femap mamy tu narzędzia, aby zamienić geometrię na powierzchnie środkowe, podział brył pod siatki Hexa itd. W Simcenter można również pracować na samej siatce, ale ze względu na silne powiązanie z geometrią CAD oraz możliwościami NX CAD wygodniej bazować dodatkowo na geometrii.

Podsumowując, w każdym systemie jesteś w stanie przygotować model pod obliczenia przygotowując odpowiednio model 3D. W zależności od stopnia zaawansowania systemu CAE te narzędzia i możliwości są większe. Najnowsze technologie i moc obliczeniowa pozwalają na analizę modeli bezpośrednio otrzymanej od konstruktora. W bardziej zaawansowanych systemach jak Femap czy Simcenter 3D otrzymujesz specjalizowane narzędzia, które służą przygotowaniu modeli do szybkiej i dokładnej dyskretyzacji.

Jeżeli jesteś początkującym analitykiem lub konstruktorem, który chce sprawdzić poprawność konstrukcji lub też jesteś analitykiem z doświadczeniem i chcesz szybko i dokładnie policzyć swoje modele to skontaktuj się z nami a dobierzemy odpowiednie narzędzia dla twoich potrzeb. Jeżeli już korzystasz z któregoś z wymienionych narzędzi to zapraszamy do kontaktu w celu wymiany doświadczeń bądź zwiększenia swojej wiedze poprzez szkolenia lub konsultacje w podczas których jesteśmy wstanie podzielić się wiedzą i doświadczeniem z obsługi zarówno programów jak i samej pracy i zagadnień CAE i obliczeń inżynierskich – formularz kontaktowy znajdziesz TUTAJ.

Jeśli chcesz być na bieżąco z naszymi nowościami oraz planowanymi szkoleniami, zapisz się do newslettera.

Autor: Michał Sroka

Artykuł Jak zoptymalizować pracę w systemach inżynierskich CAE? pochodzi z serwisu GMSystem.

Nastran: 50 lat doświadczenia

Nastran – rys historyczny

Nastran został pierwotnie opracowany dla NASA pod koniec lat 60 XX wieku. Przypomnijmy, że w latach 1957-1975 trwał wyścig kosmiczny pomiędzy Stanami zjednoczonymi a ZSRR w eksploracji kosmosu. NASA w 1964 sporządziła coroczny raport, w którym wykazała, że ośrodki badawcze indywidualnie opracowywały oprogramowanie do analiz strukturalnych, dopasowane do ich potrzeb. W raporcie natomiast zalecano, aby używać jednego oprogramowania. W odpowiedzi na raport rząd Stanów Zjednoczonych zlecił opracowanie wspólnego ogólnego programu dla przemysłu lotniczego i kosmicznego, który inżynierowie mogliby używać do modelowania i analizowania różnych struktur lotniczych, w tym statków kosmicznych i samolotów. Kontrakt na opracowanie oprogramowania został przyznany firmie Computer Sciences Corporation (CSC).

Pierwszą nazwą użytą dla programu podczas jego rozwoju w latach 60 był GPSA, skrót od General Purpose Structural Analysis. Ostateczna formalna nazwa zatwierdzona przez NASA dla programu, NASTRAN, jest skrótem utworzonym ze słów NASA Structure Analysis . System NASTRAN został udostępniony NASA w 1968 roku. Pod koniec lat 60-tych firma MacNeal-Schwendler Corporation (MSC) zaczęła wprowadzać na rynek i wspierać własną wersję NASTRAN, zwaną MSC/NASTRAN (która ostatecznie przekształciła się w MSC.Nastran). Oryginalna architektura oprogramowania została opracowana przez Joe Mule (NASA) i Geralda Sandlera (NASA) oraz Stephena Burnsa (University of Rochester).

Wycinek z raportu o symulacjach i analizach panelu separacyjnego modułu serwisowego APOLLO 13

Komercyjne zastosowanie solwera Nastran

Komercyjne zastosowanie rozpoczęło się w 1971 roku, a pierwszym klientem w Niemczech był Daimler-Benz w 1972 roku. Nastran był szeroko stosowany na początku w przemyśle lotniczym i motoryzacyjnym. Ze względu na spadek cen sprzętu oprogramowanie było coraz częściej wykorzystywane w innych obszarach przemysłowych oraz na uczelniach. Dziś Nastran jest jednym z najczęściej używanych solwerów MES. Komercyjne wykorzystanie NASTRAN pomogło w analizie zachowania struktur elastycznych o dowolnym rozmiarze, kształcie i przeznaczeniu. Na przykład przemysł motoryzacyjny wykorzystuje program do projektowania układów przedniego zawieszenia i drążków kierowniczych. Wykorzystywany jest również przy projektowaniu torów i samochodów, mostów, elektrowni, drapaczy chmur i samolotów. Szacuje się, że sam program przyniósł 701 milionów dolarów oszczędności w latach 1971-1984. NASTRAN został wprowadzony do Galerii Sław Technologii Kosmicznych Amerykańskiej Fundacji Kosmicznej w 1988 roku.

Wycinek z raportu komisji APOLLO 13

Fragment artykułu NASA

W latach 80. i 90. oprócz MSC Nastran na rynku reprezentowane były również inne pochodne (UAI-Nastran, CSAR-Nastran). W związku z przejęciem tych konkurentów firma MSC Software stworzyła monopol. W związku z tym w 2002 roku MSC została zobowiązana przez amerykańską FTC (Federalna Komisja Handlu (ang. Federal Trade Commission, FTC) ) do udostępnienia Nastran konkurentom. Kod źródłowy, dokumentacja oraz prawa do stałego, wolnego od licencji użytkowania zostały przejęte przez ówczesny UGS i w 2003 roku powstała pierwsza wersja NX NASTRAN 1.0. UGS był wcześniej oddziałem Unigraphics firmy EDS tworząc pakiet zarządzania cyklem życia produktów EDS/UGS PLM Solutions. Ta linia produktów została przejęta przez firmę SIEMENS w 2007 roku i stała się oprogramowaniem SIEMENS PLM. W roku 2020 solwer NX Nastran zmienił nazwę na Simcenter Nastran zgodnie z rozwojem produktów do analiz inżynierskich w grupie Simcenter.

NX Nastran – pakiet (box) użytkownika

Nastran – moduły

NASTRAN od początku projektowany był z kilku modułów. Moduł jest zbiorem podprogramów FORTRAN zaprojektowanych do wykonania określonego zadania – przetwarzania geometrii modelu, składania macierzy, stosowania warunków brzegowych, rozwiązywania problemów macierzy, obliczania wartości końcowych, konwersacji z bazą danych, drukowania wyników i tak dalej. Moduły są kontrolowane przez wewnętrzny język zwany Direct Matrix Abstraction Program (DMAP).

Poniżej lista wybranych modułów do analiz:

•  101 – Linear Static
•  103 – Modal
•  105 – Buckling
•  106 – Non-Linear Static
•  107 – Direct Complex Eigenvalue
•  108 – Direct Frequency Response
•  109 – Direct Transient Response
•  110 – Modal Complex Eigenvalue
•  111 – Modal Frequency Response
•  112 – Modal Transient Response
•  129 – Nonlinear Transient
•  144 – Static Aeroelastic Analysis
•  145 – Flutter / Aeroservoelastic analysis
•  146 – Dynamic Aeroelastic Analysis
•  153 – Non-Linear static coupled with heat transfer
•  159 – Nonlinear Transient coupled with Heat transfer
•  187 – Dynamic Design Analysis Method
•  200 – Design Optimization and Sensitivity analysis
•  401 – Non-Linear Static, Dynamic, arc length, modal, etc.
•  402 – Non-Linear Static and Dynamic (implicit)

Simcenter Nastran – różne zagadnienia jeden solwer

Simcenter Nastran już w podstawowej wersji obejmuje solidny zestaw statyki liniowej, trybów normalnych, analizy wyboczenia, wymiany ciepła i podstawowych funkcji nieliniowych. Simcenter Nastran może odegrać kluczową rolę w procesie rozwoju produktu wirtualnego, dostarczając najczęściej używane rozwiązania CAE do cyfrowego prototypowania i symulacji wydajności funkcjonalnej produktu. Simcenter Nastran zapewnia dostęp do szerokiej biblioteki typów elementów skończonych i modeli materiałów, niezawodnej manipulacji przypadkami obciążeń, a także kilku wydajnych sekwencji rozwiązań dla statyki liniowej, analizy wyboczenia i trybów normalnych na modelach o nieograniczonej wielkości. Zdolność przenoszenia ciepła zapewnia rozwiązania dla analizy termicznej stanu ustalonego i nieustalonego oraz problemów projektowych.

Simcenter Nastran od wersji podstawowej umożliwia użytkownikom uwzględnianie w swoich analizach dużych odkształceń i materiałów nieliniowych. Simcenter Nastran zapewnia pełną gamę modeli materiałowych: izotropowe, ortotropowe, anizotropowe i zależne od temperatury. Pozwala również na łatwe łączenie (lub dodawanie) przypadków obciążeń na elementach jako obciążenia punktowe, liniowe i powierzchniowe; obciążenia przyłożone bezpośrednio do geometrii; obciążenia termiczne; wymuszona deformacja; kombinacje powyższych wymienionych typów.

Solwer Nastran jest stale rozwijany i udostępniany w większości produktów Simensa. Simcenter Nastran można spotkać m.in. w:

Simcenter Femap – niezależny od systemu CAD i bazujący na Windows, pre- i postprocesor do zaawansowanych obliczeń metodą elementów skończonych (MES). Umożliwia rozwiązywanie nawet najbardziej skomplikowanych zadań z łatwością i dużą dokładnością. Simcenter Femap to program, który umożliwia korzystanie z praktycznych funkcji w znacznym stopniu usprawniających pracę nad obliczeniami, modelami czy projektowaniem. Szeroką funkcjonalność użytkownicy programu zawdzięczają dostępowi do danych bazujących na geometrii oraz danych analitycznych. Oprogramowanie umożliwia dzięki temu efektywną pracę nad testowaniem komponentów i złożonych systemów. Szeroka gama dodatkowych modułów Simcenter Nastran pozwala stworzyć bardzo silny software, który można dostosować dla firm posiadających różne wymagania pod względem analizy. Funkcjonalne narzędzia wraz z niezawodnością oprogramowania Femap podnoszą efektywność pracy inżynierów, jednocześnie upraszczając wykonywanie skomplikowanych analiz i złożonych obliczeń.

Simcenter Femap

Simcenter 3D (dawniej NX CAE) to produkt bazujący na platformie NX, zapewniający szeroki wybór rozwiązań do wielozadaniowej symulacji opartej na metodzie elementów skończonych oraz zapewniający wszechstronne funkcje do przygotowywania modeli, rozwiązywania oraz przetwarzania końcowego. Środowisko Simcenter 3D jest w pełni zintegrowane ze środowiskiem NX CAD. Simcenter 3D to nowoczesne środowisko integrujące ze sobą różne dziedziny obliczeniowe, przeznaczone dla analityków, konstruktorów i projektantów, którzy muszą szybko dostarczać wysokiej jakości dane wspierające podejmowanie decyzji dotyczących tworzenia produktów. Simcenter 3D jako pierwszy na świecie program MES pozwala na korzystanie z modułów Simcenter Nastran w ramach tokenów, czyli nowego systemu licencjonowania zwanego Value Based Licensing, które umożliwiania w pełni wykorzystać wielozadaniowe środowisko symulacji.

Simcenter 3D (dawniej NX CAE)

Simcenter Nastran – dostępny jako samodzielny solwer korporacyjny. Simcenter Nastran pomaga producentom i dostawcom inżynieryjnym w lotnictwie, motoryzacji, elektronice, maszynach ciężkich, urządzeniach medycznych i innych branżach w zakresie ich krytycznych potrzeb obliczeniowych, dzięki czemu mogą produkować bezpieczne, niezawodne i zoptymalizowane projekty w coraz krótszych cyklach projektowania.

Simcenter Nastran

Nastran – czyli solver stworzony na potrzeby NASA 50 lat temu (1971 pierwsza wersja komercyjna). Od półwieku urządzenia są weryfikowane przez ten wspaniały i doceniony na świecie solver. Nie daj się wyprzedzić innym, zaufaj doświadczeniu i jeżeli potrzebujesz sprawdzonego rozwiązania to skontaktuj się z nami.

Na zakończenia: firma GM System powstała 2001 roku, czyli też obchodzi w tym roku jubileusz.

Źródła:

https://ntrs.nasa.gov/citations/20020087022

https://www.nasa.gov/

https://www.plm.automation.siemens.com/global/en/

https://en.wikipedia.org/wiki/Nastran

http://me100.caltech.edu/history/nastran.htm

https://www.ithistory.org/db/software/siemens-plm-software/nx-nastran

Opracował: Michał Sroka

Artykuł Nastran: NASA Structural Analysis pochodzi z serwisu GMSystem.

Siatka powinna mieć optymalny kształt elementu skończonego, czyli niezależnie od typu elementy skończone muszą być jak najbardziej foremne i niezdeformowane. Siatka powinna być także na tyle drobna (gęsta), żeby dobrze można było na niej przedstawić wyniki.

Aspect Ratio (współczynnik kształtu)

Parametr określa stosunek długości najdłuższego boku elementu do długości najkrótszego boku. Ten rodzaj sprawdzania siatki sprawdza wszystkie krawędzie elementu tak, aby znaleźć najdłuższą i najkrótszą krawędź. W przypadku elementów bryłowych uwzględniane są krawędzie wzdłuż wszystkich ścian. Długość wyliczana jest na podstawie wierzchołków elementów, węzły środkowe elementów parabolicznych są ignorowane.

Rys. 01. Aspect ratio

Ten parametr ułatwia odnalezienie elementów zawierających bardzo długie i bardzo krótkie boki elementów skończonych, niezależnie od tego, gdzie w siatce występują.

Taper (stożek)

Podobnie jak Aspect Ratio, parametr ten określa stosunek długości najdłuższego boku elementu do najkrótszego. Parametr Taper sprawdza tylko stosunek krawędzi, które na powierzchni elementu są do siebie przeciwległe. W przypadku elementów bryłowych brane są pod uwagę wszystkie ściany elementu skończonego.

Rys.02. Taper

Jakość elementów Taper jest sprawdzana tylko na elementach czworobocznych i pozwala na zidentyfikowanie elementów, które maja kształt trapezoidalny.

Alternate Taper (alternatywny stożek)

Oblicza stosunek rozmiarów trójkątów utworzonych przez przekątne czworokątnych elementów. Działa podobnie jak sprawdzenie jakości elementu metodą Taper w Nastranie.

Rys. 03. Alternate Taper

Alternate taper pozwala sprawdzić tylko elementy czworokątne. Pozwala na zidentyfikowanie trapezoidalnych ścian elementów.

Internal Angles (kąt wewnętrzny)

Sprawdza, czy kąty w wierzchołkach elementów odbiegają od optymalnego kształtu. W przypadku ścian czworokątnych odchylenie jest liczone od kąta 90 stopni. W przypadku ścian trójkątnych odchylenie jest liczone od kąta 60 stopni.

Rys.04. Internal angles

Internal Angle pozwala sprawdzić, które elementy są przekrzywione względem kwadratu lub trójkąta równobocznego. W odróżnieniu od metody Taper, ten rodzaj sprawdzania siatki pozwoli na znalezienie zarówno ścian o przekroju trapezu, jak i rombu.

Skew (skośność)

Metoda Skew mierzy wewnętrzne odchylenie kątowe powierzchni przy użyciu dwusiecznej krawędzi. Wyniki sprawdzenia tą metoda są zgodne z wymaganiami wg Simcenter Nastran. Ta metoda daje wyniki tylko dla pochylonych ścian w elementach bryłowych.

Dla elementów trójkątnych i ścian elementów Skrew mierzy kąty wewnętrzne i podaje minimalne wyniki dla wszystkich kątów 2D (a1, a2, a3 na poniższym rysunku) i wszystkich kątów wszystkich ścian elementów 3D.

Rys.05. Skew

Warping (wypaczenie)

Metoda polega na ocenie płaskości ścian elementów. Wszystkie poprzednie typy sprawdzania jakości elementów oceniają je w płaszczyźnie ścian elementów, ale tutaj oceniany jest parametr poza płaszczyzną. Dotyczy to tylko elementów czworobocznych. Elementy są wewnętrznie dzielone na trójkąty. Jeżeli lica są płaskie, trójkąty powinny być współpłaszczyznowe. Oznacza to, że kierunki normalne trójkątów są skierowane w tym samym kierunku. Jeżeli lico elementu jest wypaczone, to kierunki normalne trójkątów nie będą skierowane w tym samym kierunku. To sprawdzenie ocenia maksymalny kąt między kierunkami normalnymi i identyfikuje elementy, w których kąt wypaczenia przekracza określony limit.

Rys. 06. Warping

Nastran Warping (wypaczenie wg Nastran)

Ocenia płaskość elementów używając tych samych równań, co solver Nastran podczas włączonej opcji “Q4_WARP” w GEOMCHECK. Ta metoda dotyczy tylko elementów czworobocznych. Współczynnik wypaczenia jest definiowany przez określenie średniej odległości węzłów narożnych do „średniej płaszczyzny” węzłów podzielonej przez średnią długość przekątnych elementów. W przypadku elementów płaskich wszystkie węzły narożne leżą na płaszczyźnie, dlatego współczynnik Nastran Warping wynosi zero.

Tet Collapse (spłaszczenie czworościanów)

Ocenia jakość elementów czworościennych w modelu. Płaskie elementy czworościenne mogą uniemożliwić analizę kodu solvera lub dać niepoprawne wyniki. Ten rodzaj jakości sprawdza odległość od płaszczyzny każdej ściany elementu do przeciwległego (czwartego) węzła elementu. Następnie Simcenter Femap sprawdza stosunek największej do najmniejszej wartości do sprawdzenia spłaszczenia (zapadnięcia się) elementu czworościennego. Wartość maksymalna to 10. W przypadku elementów piramidalnych jest to miara najdłuższej do najkrótszej krawędzi lub wysokości w zależności od tego, która wartość jest krótsza.

Rys.07. Tet collapse

Jacobian

Porównuje kształt elementu z „idealną formą” elementu o tej samej topologii. W Simcenter Femap jakość elementów wg Jacobiana sprawdzana jest dla elementów płaszczyznowych (trójkątnych 3- węzłowych, czworokątnych 4 lub 8-węzłowych) i niektórych elementów bryłowych ( 4 i 10- węzłowe elementy czworościenne oraz 8 i 20-węzłowe elementy sześcienne). Jeśli chodzi o elementy bryłowe, kształt użyty do porównania jest określany tylko przez węzły narożne, węzły środkowe są ignorowane w elementach czworościennych i sześciennych. Jakość wg Jacobiana określa się w zakresie między 0,0 a 1,0, gdzie 0,0 oznacza element o idealnym kształcie. Bardzo duże zniekształcenia elementów, np. elementy posiadające lokalne lub nieokreślone nieciągłości przypisuje się wartość jakości Jacobiana 2. Elementy z wartością Jacobiana 2 oznaczają nieprawidłowe elementy np. element jest skręcony lub wywinięty na lewą stronę i powinny być naprawione przed analizą.

Jakość elementów według Jacobiana można rozróżnić według rodzaju elementu skończonego.

Dla trójkątnych elementów płaszczyznowych:

Jakość według Jacobiana sprawdza elementy wyłącznie na podstawie geometrii. Skala Jakobian zawiera się w zakresie od 0,0 dla idealnie ukształtowanych trójkątów równobocznych i zbliża się do 1,0 gdy trójkąty są spłaszczone, a kąt wewnętrzny zbliża się do 180°. W tej metodzie węzły środkowe są ignorowane.

Rys.08. Jacobian For Triangular Shell Elements

Dla czworokątnych elementów płaszczyznowych:

Jakość Jacobiana obliczana jest dla każdego węzła. Wartość współczynnika Jacobiana jest określony od 0,0 dla idealnego przekroju kwadratowego do 1,0 gdy elementy są zniekształcone. Węzły środkowe są używane tylko wtedy, gdy wszystkie są w definicji elementu. Jeżeli węzły środkowe zostały utracone, np. element czworokątny posiada 6 węzłów, to element jest sprawdzany jak 4-węzłowy element czworokątny.

Jeżeli wartość Jacobiana zmienia znak, funkcja kształtu elementu jest nieciągła, to rozwiązanie się nie zbiegnie. W tym przypadku element jest uznawany za uszkodzony (FAILED) i jakość Jacobiana zostanie określona jako 2.

Rys.09. Jacobian For Quadrilateral Shell Elements

Dla czworościennych elementów bryłowych:

Jakość elementów wg Jacobiana dla elementów czworościennych opiera się na numerze warunkowym Jacobiana („ Jaki jest dobry element liniowy? Interpolacja, warunki i pomiar jakości” Shewchuk, Jonathan Richard) [(ref: “What is a Good Linear Element? Interpolation, Conditioning and Quality Measures” Shewchuk, Jonathan Richard)].

Wartość zwrócona = 1 – Numer warunku/Idealny numer warunku dla czworościanu. Idealny numer warunku ˜ 0.41360216.

Warości jakości Jacobiana są od 0,0 do 1,0 dla poprawnych elementów i 2 dla wadliwych elementów wg Jacobiana. Węzły środkowe nie są brane pod uwagę.

Rys.10. Jacobian For Tetrahedral Solid Elements

Dla sześciennych elementów bryłowych:

Jakość elementów wg Jacobiana dla elementów sześciennych bada jakość w węzłach narożnych  elementu. Wartości jakości Jacobiana są od 0,0 do 1,0 dla poprawnych elementów i 2 dla wadliwych elementów. Węzły środkowe nie są brane pod uwagę.

Rys.11. Jacobian For Hexahedral Solid Elements

Dla piramidalnych elementów bryłowych:

Wartości jakości Jacobiana są od 0,0 (idealne elementy) do 1,0 dla poprawnych elementów i 2 dla wadliwych elementów. Jeżeli jakość elementu wynosi 2, to nie przeszedł on sprawdzenia jakości Jacobian i prawdopodobnie jest to wadliwy element. W celu określenia jakości elementu piramidalnego jest on dzielony na 2 czworościenne 4-węzłowe elementy. Wartość Jacobiana oblicza się dla 4 czworościennych elementów, a następnie minimalną wartość odejmuje się od 1,0, aby określić wartość jakości elementu piramidy wg Jacobiana. Węzły środkowe nie są brane do analizy jakości.

Combined (Quality)

Łączona jakość siatki waha się od 0,0 (idealna) do 1,0 (bardzo zła). Wszystkie wartości spoza tego zakresu, czyli większe lub ujemne, spowodują zwrócenie wartości 1,0. Łączona jakość siatki jest przydatna, ponieważ pokazuje jedną wartość i ułatwia wskazanie ogólnej jakości elementów np. podczas dynamicznej modyfikacji położenia węzłów lub zmiany rozmiaru siatki. Nie daje natomiast gwarancji na poprawne rozwiązanie modelu.

Wartość łączonej jakości siatki jest określana przy użyciu maksymalnej wartości spośród siedmiu metod sprawdzenia jakości: Aspect Ratio (współczynnik kształtu), Taper (stożek), Alternate Taper (alternatywny stożek), Internal Angle (kąt wewnętrzny), Warping (wypaczenie), Nastran Warping (wypaczenie wg Nastran) i Jacobian. Do łączonej jakości siatki zostaną użyte te typy sprawdzania, które są „włączone” oraz mają zastosowanie do typu analizowanego elementu.

Wiemy już, jakimi metodami możemy sprawdzić jakości siatki oraz co poszczególne metody mierzą. Teraz przedstawimy, w jaki sposób możemy wyświetlić jakość elementów.

Do sprawdzenia jakości siatki możemy wywołać polecenie Tools > Check > Element Quality

Za pomocą tego narzędzia możemy wyświetlić, elementy przekraczające założone przez nas wartości jakości siatki, stworzyć grupę, wylistować oraz stworzyć tabelę z wadliwymi elementami.

Rys.12. Wyświetlenie jakości siatki

Rys.13. Wyświetlenie jakości siatki elementów solidowych

Jakość siatki możemy również sprawdzić za pomocą narzędzia Meshing Toolbox, które było już przez nas opisywane na blogu. W tym celu należy włączyć wyświetlenie jakości elementów, a w sekcji Mesh Quality wyświetlać jakość siatki wg określonej metody badania jakość siatki. Na ekranie roboczym elementy będą wyświetlane za pomocą konturu wg skali kolorów „zielone-czerwone światło” co dodatkowo pozwoli na łatwe zlokalizowanie błędnych elementów. W Meshing Toolbox możemy również użyć Mesh Locate do dynamicznej zmiany położenia węzłów siatki. Dzięki temu ręcznie możemy poprawić jakość siatki, a paleta kolorów będzie nam podpowiadała, czy nasze poprawki dały oczekiwany rezultat.

Rys.13. Jakość siatki w meshing toolbox

Dzięki powyższym narzędziom jesteśmy pewni, że nasza siatka jest najwyższej jakości i dzięki temu nasze modele będą liczyły się szybko, a wyniki będą wyświetlane prawidłowo.

Artykuł Jak sprawdzić jakość siatki MES w Simcenter Femap. pochodzi z serwisu GMSystem.

Rys. 1. Jedna właściwość elementów płytowych

Można wyświetlić je w formie graficznej i też widzimy na ekranie, że grubości są różne, ale nie wynoszą one 0 mm. Co możemy w takim razie zrobić?

Rys. 2. Wyświetlenie przekrojów grubości wraz z kolorami

Spróbujmy zdefiniować właściwości według grubości elementu.

Najpierw musimy sprawdzić, jakie są grubości w modelu i ile ich jest. Da się ? No pewnie, możemy to zrobić wyświetlając np. kontury wg grubości przyporządkowane właśnie wg grubości w elemencie skończonym.

Użyjemy do tego narzędzia Discrete Value Plots.

Po ustawieniu odpowiednich opcji na modelu widzimy już poszczególne grubości oraz kolor do nich przypisany. Widać też na modelu, gdzie poszczególne grubości występują, właśnie dzięki tym kolorom.

Rys. 3. Wyświetlenie kolorów wg grubości elementów.png

Co prawda, nie ma automatu, aby na podstawie wyświetlanych kolorów stworzyły się „propertiesy”, ale możemy je stworzyć sami. Owszem, jeżeli będziemy mieli ich 1000, ta metoda się nie sprawdzi, ale z doświadczenia mojego oraz naszych klientów wiem, że w dużych modelach poszczególnych grubości nie jest aż tak dużo – od kilku do kilkunastu, w skrajnych przypadkach trochę więcej. Więc jeśli ręcznie stworzymy właściwości, to możemy do nich przypisać odpowiednie elementy, a raczej przypisać Properties do elementów.

Rys. 4. Nowe właściwości wg grubości w elementach.JPG

W celu łatwiejszej pracy proponuję stworzyć grupy wg Properties naszych nowo stworzonych właściwości. Klikamy prawym klawiszem myszy na nowo stworzonych Properties i wybieramy Group.

Rys. 5. Tworzenie grup wg nowych propertiesów

Aby dodać elementy do wybranej grupy, po podświetleniu danej grupy w drzewie, w oknie Entity Editor w wierszu Element klikamy ikonkę Add. W oknie Entity select wybieramy <Pick> i By Model Data Value. Po wpisaniu odpowiedniej grubości elementu mamy pierwszą grupę. Oczywiście możliwości wyboru jest więcej, od określonej wartości do poszczególnych zakresów. Wybór danych wg danych modelu generalnie odnosi się do parametrów opartych na siatce i związanych z nimi informacjami.

Rys. 6. Wybór elementów wg grubości

W ten oto sposób uzyskujemy grupy elementów z przypisanymi elementami o określonych grubościach. Teraz chcemy, aby te elementy miały przypisany określony Properties z drzewa modelu. Umożliwi to indywidualną edycję tych elementów poprzez modyfikacje właściwości. W tym celu wybieramy polecenie Modify > Update Element > Property ID. W oknie Entity select wystarczy wybrać daną grupę elementów a następnie wskazać odpowiedni Properties.

Rys. 7. przypisanie nowej właściwości do grupy elementów

Rys. 8. Przypisane elementy do nowych właściwości

W ten sposób uzyskujemy model, gdzie elementy ponownie są sterowane za pomocą właściwości na drzewie modelu. Ułatwi to modyfikację czy edycję w momencie, gdy musimy dokonać zmian.

Artykuł Właściwości według grubości elementów w Simcenter Femap pochodzi z serwisu GMSystem.

Przedstawialiśmy naszym klientom już pięć lat temu historię trzydziestu lat programu Femap na rynku. Już wtedy mówiliśmy o prywatnych promach kosmicznych oraz samolotach kosmicznych, które powstają w oparciu o rozwiązania Femap oraz m.in. NX Nastran.

Siemens podstawową wersję Femap oferuje wraz z solverem Simcenter Nastran, natomiast nie każdy wie, że solver ten został stworzony na potrzeby projektu rakiety Saturn V.  Ale opowiedzmy historię od początku…

Trochę historii CAE i CAD dla aerospace

NASA w 1964r zleciła opracowanie jednego wspólnego oprogramowania, które inżynierowie mogliby wykorzystać do modelowania i analizowania różnych struktur lotniczych, w tym wszelkiego rodzaju statków kosmicznych lub samolotów. Innymi słowy, CAE i CAD dla aerospace. NASTRAN, czyli skrót od NAsa STRucture ANalysis został wydany w 1968 r. na potrzeby NASA. NASA wówczas pracowała nad projektem rakiety Saturn V – rakiety o bardzo dużej nośności oraz posiadającej certyfikat pozwalający na transport ludzi. Rakieta została opracowana, aby wspierać program kosmiczny Apollo dotyczący eksploracji Księżyca przez ludzi. W późniejszym czasie została użyta do wystrzelenia pierwszej amerykańskiej satelity Skylab.

Pierwsza komercyjna wersja NASTRAN została udostępniona publicznie w 1971 roku przez NASA’s Office of Technology Utilization. W 2001 roku NASA udostępniła publicznie kod źródłowy NASTRAN. W 2003 roku firma UGS Corporation nabyła prawa do używania oprogramowania NASTRAN i używała go pod nazwą NX NASTRAN. Firma UGS Corporation została przejęta przez Siemens w 2007 roku.

NASTRAN od początku projektowany był z kilku modułów. Moduł jest zbiorem podprogramów FORTRAN zaprojektowanych do wykonania określonego zadania – przetwarzania geometrii modelu, składania macierzy, stosowania warunków brzegowych, rozwiązywania problemów macierzy, obliczania wartości końcowy, konwersacji z bazą danych, drukowania wyników i tak dalej. Moduły są kontrolowane przez wewnętrzny język zwany Direct Matrix Abstraction Program (DMAP).

101 – Linear Static

103 – Modal

105 – Buckling

106 – Non-Linear Static

107 – Direct Complex Eigenvalue

108 – Direct Frequency Response

109 – Direct Transient Response

110 – Modal Complex Eigenvalue

111 – Modal Frequency Response

112 – Modal Transient Response

129 – Nonlinear Transient

144 – Static Aeroelastic Analysis

145 – Flutter / Aeroservoelastic analysis

146 – Dynamic Aeroelastic Analysis

153 – Non-Linear static coupled with heat transfer

159 – Nonlinear Transient coupled with Heat transfer

187 – Dynamic Design Analysis Method

200 – Design Optimization and Sensitivity analysis

401 – Non-Linear Static, Dynamic, arc length, modal, etc.

402 – Non-Linear Static and Dynamic (implicit)  [[i]]

[i] https://en.wikipedia.org/wiki/Nastran

Tym krótkim przeglądem ukazujemy historię NASTRAN. Nastran jest wykorzystywany w wielu programach, między innymi w NX/Simcenter oraz Femap jako główny solver obliczeniowy.  Wróćmy jednak do tematu podboju kosmosu.

NASA zakończyła program lotów kosmicznych w 2011 roku z powodów ekonomicznych, bowiem promy kosmiczne niezbędne do transportu komponentów Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS), jedynej obecnie na orbicie są kosztowne i bywają niebezpieczne dla astronautów. NASA została skazana na usługi wykonywane przez rosyjski statek kosmiczny Sojuz. Z tego powodu NASA zmieniło podejście i zaczęła współpracować z firmami prywatnymi – z sektorem tzw. NewSpace.

Do firm z branży NewSpace (która nota bene toczą ze sobą boje) należą m.in.: SpaceX, Blue Origin, Virgin Galactic/Virgin Orbit, Breakthrough Starshot. Przeczytaj więcej na ten temat.

Większość z tych firm korzysta z rozwiązań CAE i CAD dla aerospace wyprodukowanych przez Siemens.

Rakieta Falcon 9

Ponieważ niedawno słyszeliśmy o starcie rakiety Falcon 9 – Crew-1 jako misji załogowa przedstawiamy kilka ciekawostek i faktów z tym związanych. Najpierw przedstawimy informacje odnośnie rakiety, następnie opowiemy, jak oprogramowanie Siemens pomogło opracować tak skutecznie produkt. Na koniec przedstawiamy start misji załogowej.

Rakieta Falcon 9 to dwustopniowa rakieta, stworzona w celu niezawodnego i bezpiecznego transportu satelitów i statku transportowych Dragon oraz misji załogowych na orbitę. Prostota dwustopniowej budowy rakiety miała na celu zminimalizować liczbę separacji. Dodatkowo w celu zwiększenia bezpieczeństwa napędza ją dziewięć silników, które zostały tak skonstruowane, że nawet w przypadku awarii (teoretycznie może utracić dwa silniki) możliwe jest bezpieczne kontynuowanie i ukończenie misji. Nazwa rakiety Falcon wzięła się na cześć Sokoła Millenium (ang. Millenium Falcon). Falcon 9 jest również pierwszą rakietą orbitalną zdolną do ponownego lotu, a to poprzez system lądowania. Wielokrotne użycie pozwala na odnowienie najdroższych części rakiety, co z kolei obniża koszt dostępu do przestrzeni kosmicznej.

Ponieważ niedawno słyszeliśmy o starcie rakiety Falcon 9 – Crew-1 jako misji załogowa przedstawiamy kilka ciekawostek i faktów z tym związanych. Najpierw przedstawimy informacje odnośnie rakiety, następnie opowiemy, jak oprogramowanie Siemens pomogło opracować tak skutecznie produkt. Na koniec przedstawiamy start misji załogowej.

Rakieta Falcon 9 to dwustopniowa rakieta, stworzona w celu niezawodnego i bezpiecznego transportu satelitów i statku transportowych Dragon oraz misji załogowych na orbitę. Prostota dwustopniowej budowy rakiety miała na celu zminimalizować liczbę separacji. Dodatkowo w celu zwiększenia bezpieczeństwa napędza ją dziewięć silników, które zostały tak skonstruowane, że nawet w przypadku awarii (teoretycznie może utracić dwa silniki) możliwe jest bezpieczne kontynuowanie i ukończenie misji. Nazwa rakiety Falcon wzięła się na cześć Sokoła Millenium (ang. Millenium Falcon). Falcon 9 jest również pierwszą rakietą orbitalną zdolną do ponownego lotu, a to poprzez system lądowania. Wielokrotne użycie pozwala na odnowienie najdroższych części rakiety, co z kolei obniża koszt dostępu do przestrzeni kosmicznej.

Budowa rakiety Falcon 3

Pierwszy stopień

Zawiera dziewięć silników Merlin i zbiorników ze stopu aluminium i litu zawierający ciekły tlen i paliwo rakietowe (RP-1). Falcon 9 generuje ponad 7607 kN ciągu na poziomie morza.

Falcon 9 – pierwszy stopień

Pierwszy stopień napędza dziewięć silników Merlin, które są stopniowo dławione pod koniec pierwszego etapu lotu, aby ograniczyć przyśpieszenie rakiety nośnej, gdy masa rakiety zmniejsza się wraz ze spalaniem paliwa. Silniki te są również używane do zmiany orientacji pierwszego stopnia przed ponownym wejściem w atmosferę oraz do wyhamowania pojazdu w fazie lądowania.

Pierwszy stopień Falcon 9 wyposażony jest w cztery nogi do lądowania wykonane z najnowszego włókna węglowego z aluminiowym plastrem miodu. Nogi są umieszczone i złożone przy podstawie i są rozkładane tuż przed lądowaniem.

Drugi stopień

Drugi stopień napędzany jest pojedynczym silnikiem próżniowym Merlin, dostarcza ładunek na żądaną orbitę. Silnik drugiego stopnia zapala się kilka sekund po rozdzieleniu stopnia i można go uruchamiać wielokrotnie, co pozwala umieścić ładunki na różnych orbitach.

Falcon 9 – drugi stopień

Interstage

Kompozytowa, międzystopniowa konstrukcja  łączy pierwszy i drugi stopień oraz zawiera popychacze pneumatyczne, które umożliwiają rozdzielenie pierwszego i drugiego stopnia podczas lotu.

Płetwy siatkowe

Falcon 9 jest wyposażony w cztery hipersoniczne płetwy siatkowe umieszczone u podstawy międzystopnia. Orientują rakietę podczas powrotu przesuwając środek ciśnienia.

Falcon 9 – interstage

Kapsuła transportowa

Owiewka jest wykonana z kompozytu węglowego, która chroni satelity w drodze na orbitę. Owiewka jest zrzucona po około 3 minutach lotu, a SpaceX odzyskuje je do ponownego użycia w kolejnych misjach.

Falcon 9 – kapsuła transportowa

Statek kosmiczny Dragon

Dragon może przewozić do siedmiu osób oraz ładunek w sekcji ciśnieniowej statku kosmicznego. Ponadto Dragon  w nieciśnieniowym luku statku, możne umieścić dodatkowe ładunki. Więcej o Falcon 9:  https://www.spacex.com/vehicles/falcon-9/

Dragon

Schemat separacji

Programy CAD, CAE i PLM

Aby powstały tak zaawansowane konstrukcje, niezawodne i konkurencyjne, konieczny jest soft, który umożliwi zaprojektowanie, ale przede wszystkim weryfikacja modeli. Testowanie prototypów w tej branży jest bardzo kosztowne, a w niektórych sytuacjach wręcz niemożliwe. Dlatego należy zbudować cyfrowego bliźniaka i odwzorowując rzeczywiste warunki zasymulować pracę i na jej podstawie przeanalizować wyniki analiz w celu poprawy konstrukcji.

Firma SpaceX używa rozwiązań Siemens, aby zwiększyć niezawodność swoich produktów oraz żeby szybko wprowadzić je na rynek. Wykorzystuje soft zarówno do projektowania jak i weryfikacji.

W celu opracowania konkurencyjnej rakiety używają konstrukcji kompozytowych. Ich twórcy kierują się hasłem „każdy zaoszczędzony kilogram konstrukcji rakiety = dodatkowy kilogram w kapsule transportowej”.

Jak mówi Chris Thompson, Wiceprezes ds. Inżynierii konstrukcji SpaceX: „Czas jest dla nas zawsze najważniejszy, Fibersim udowodnił, że jest w stanie szybko przenieś nas od pomysłu do kompletnej części co było kluczowym czynnikiem przy podejmowaniu decyzji o zakupie oprogramowania. Ale jeśli chodzi o coś więcej niż tylko szybkość Fibersim poprawia jakość produktu poprzez dostarczanie dokładnych informacji inżynieryjnych na produkcję, co również pomaga w powtarzalności procesu produkcyjnego. Gwarantuje to, że części pasują, gdy schodzą z produkcji”.

Próby związane z lądowaniem rakiety Falcon 9:

Początkowo projektanci w SpaceX próbowali wykorzystać do projektowania program CAD średniej klasy, aby opracować Falcona 1. Po około roku frustracji ze złożeniami, których załadowanie trwało ponad godzinę (lub, co gorsza, nie otwierały się wcale), firma zaczęła szukać mocniejszego oprogramowania. Chris Thompson, wiceprezes ds. Operacji rozwojowych w SpaceX, wiedział, że potrzebne jest bardziej wydajne oprogramowanie do projektowania. Co więcej, firma zmagała się z rosnącą cały czas ilością danych projektowych, specyfikacji, programów CNC, procesów i doszła do punktu, w którym potrzebowała również rozwiązania do zarządzania. Chociaż Thompson i jego współpracownicy oddzielnie oceniali wybór środowiska CAD, analiz elementów skończonych (FEA) i rozwiązania do zarządzania danymi produktu (PDM), ostatecznie wybrali całą technologię firmy Siemens PLM Software do stworzenia zarządzanego środowiska programistycznego. Rozwiązanie do zarządzania cyklem życia produktu (PLM) obejmowało oprogramowanie NX (w tym NX Nastran), oprogramowanie Femap i Teamcenter®. „Wszystkim podobała się funkcjonalność i interfejs użytkownika NX” – mówi Thompson. „Następnie przeprowadziliśmy samodzielną ocenę oprogramowania PDM i Teamcenter – wygrał bez wysiłku. Naszym zadaniem nie było porównanie między nim a konkurencją, ale sprawdzenie funkcjonalności i prostota obsługi. Na froncie analiz to Femap i Nastran były wyraźnymi zwycięzcami, nie tylko ze względu na szeroką akceptację w branży, ale także z punktu widzenia łatwości obsługi i wsparcia”.

NX obsługuje całą rakietę

SpaceX stworzył model całej rakiety Falcon 1 i Falcon 9 oraz kapsuły Dragon w NX. Oprogramowanie nie ma problemów z obsługą ponad 25 000 zespołów części. „Możliwość terminowej pracy z zespołem o tak dużych rozmiarach jest bardzo ważna” – mówi Thompson. „Załadowanie całego zespołu zajmuje tylko 5–10 minut”. Po załadowaniu wirtualna makieta rakiety umożliwia projektantom łatwe znajdowanie zakłóceń. Główną zaletą pracy z dużymi złożeniami jest „projektowanie w kontekście”, które umożliwia opracowywanie i kończenie różnych części składowych podczas pracy w złożeniu. Projektowanie w kontekście oznacza natychmiastową informację zwrotną dotyczącą dopasowania i wykonalności. I odwrotnie, bez możliwości załadowania wszystkich odpowiednich komponentów w obszarze, którego dotyczy problem, zaprojektowanie komponentów tak, aby pasowały dokładnie do siebie, jest znacznie trudniejszym i czasochłonnym zadaniem. Oprócz zalet montażowych NX, projektanci SpaceX używają NX do symulacji ruchu, takiego jak oddzielenie pierwszego i drugiego stopnia rakiety, w celu dalszego sprawdzenia swojej pracy.

SpaceX wykorzystuje swoje dane NX również na inne sposoby. Technicy w hali produkcyjnej przyglądają się modelom NX, gdy budują rakietę, aby lepiej zrozumieć jej wewnętrzne działanie. Jest to szczególnie przydatne na przykład do obserwowania tras rur i przewodów wewnątrz rakiety. SpaceX ma obrabiane w metalu modele w skali, których używa do celów marketingowych, a także wytwarzania trybów przez firmę SLA. Firma, która produkuje te modele, działa bezpośrednio na geometrii NX. Ponadto SpaceX opracował materiał wideo, na którym symuluje uruchomienie Falcon. Firma, która zrobiła to wideo, zaimportowała model szkieletowy rakiety w natywnym formacie NX do swojego oprogramowania do animacji.

Zarządzane środowisko programistyczne SpaceX poprawiło współpracę w firmie. Projektowanie rakiety wymaga skoordynowanego wysiłku trzech różnych zespołów inżynierów: napędu, konstrukcji i awioniki. W SpaceX zespoły te znajdują się w różnych budynkach. Teamcenter zarządza wszystkim, co jest związane z projektowaniem rakiet, dzięki czemu zespoły mogą pracować nad różnymi częściami rakiety w NX, Femap, a dzięki Teamcenter, nie martwią się o wzajemne zakłócenia. „Jeśli projektant konstrukcji wykonuje pracę nad częścią, inżynier w innym budynku może przyjrzeć się tej części i upewnić się, że nie koliduje ona z tym, nad czym on pracuje. Mogą też wcześnie omówić potencjalne problemy. Mamy teraz pełną współpracę zespołową i to jest ogromna zaleta ”- mówi Thompson.

Pomiędzy znacznie lepszą kontrolą procesu, która jest możliwa dzięki Teamcenter, a wyższą produktywnością wynikającą z przejścia na NX, SpaceX odnotował 50% wzrost wydajności. Obecnie SpaceX korzysta również z oprogramowania Simcenter STAR CCM+ Wykorzystując w pełni cyfrowo zarządzane środowisko programistyczne zbudowane na NX i Teamcenter, rakieta Falcon firmy SpaceX przeszła z fazy rozwoju do produkcji i premiery. Na chwilę obecną jest to:

Start rakiety i lądowanie pierwszego stopnia:

Start załogowej misji Crew-1 mająca na celu dowiezienie astronautów na stacje kosmiczną ISS

Statek kosmiczny Dragon 2, nazwany przez astronautów Resilience, wystartował na szczycie rakiety Falcon 9 z platformy LC-39A w Centrum Kosmicznym im. Kennedy’ego (KSC) na Florydzie 16 listopada o godzinie 01:27 czasu polskiego (00:27 UTC). Na pokładzie znajdowało się troje astronautów NASA – Michael Hopkins, Victor Glower i Shannon Walker  oraz astronauta japońskiej agencji JAXA – Soichi Noguchi. Nieco ponad 12 minut po starcie nastąpiła separacja Dragona od rakiety, a następnie otwarty został nos w przedniej części pojazdu, odsłaniając silniczki manewrowe Draco i port dokujący.

Procedura i start misji Crew-1:

Podczas tej misji wykorzystany został nowy pierwszy stopień rakiety Falcon 9. Po oddzieleniu się drugiego stopnia booster wylądował na autonomicznej platformie Just Read the Instructions (JRTI) na Oceanie Atlantyckim. Ma on zostać użyty ponownie podczas kolejnej załogowej misji SpaceX do ISS.

Podczas lotu na stację wystąpiły niewielkie problemy. Grzałki w przewodach paliwowych trzech z czterech zestawów silników Draco nie działały po dotarciu na orbitę, lecz modyfikacja limitów w czujnikach mierzących opór, ustawionych zbyt restrykcyjnie, sprawiła, że grzałki zaczęły funkcjonować prawidłowo. Ven Feng, zastępca menedżera programu komercyjnych lotów załogowych NASA, stwierdził, że SpaceX bardzo szybko zidentyfikowało źródło problemu i wskazania czujników były minimalnie poza bardzo restrykcyjnymi limitami. Temperatura paliwa w żadnym momencie nie spadła poniżej 24°C, przy granicy bezpieczeństwa wynoszącej 16°C. Pojawił się także problem z systemem kontroli termicznej, który zgłosił ostrzeżenie o zbyt niskim poziomie temperatury w kabinie. Ten problem jednak także szybko rozwiązano i w dalszej części lotu nie odnotowano kolejnych trudności. Tego typu problemy nie są zaskoczeniem przy korzystaniu z nowego statku i najważniejsze, że życie i zdrowie załogi nie było w żadnym momencie zagrożone.

Pierwszy manewr za pomocą silników Draco odbył się niecałe dwie godziny po starcie. Następnie załoga zjadła wieczorny posiłek i udała się na spoczynek, otrzymując osiem godzin na sen. W czasie lotu wykonano kilka kolejnych manewrów i około godziny 02:00 czasu polskiego (01:00 UTC) Dragon zbliżył się na 30 kilometrów do stacji i rozpoczęto finalną fazę podejścia. Około 20 minut przed dokowaniem pojazd znalazł się w osi z portem dokującym na stacji, docierając do pierwszego punktu nawigacyjnego 220 metrów od portu.

Dragon zadokował do modułu Harmony na ISS o godzinie 05:01 czasu polskiego (04:01 UTC). Przeprowadzono testy szczelności oraz dokonano kompresji przedsionka przy porcie dokującym. Właz kapsuły otwarto około dwie godziny po dokowaniu. Po dotarciu na ISS czwórka astronautów dołączyła do znajdującej się tam załogi składającej się z amerykańskiej astronautki Kate Rubins oraz dwóch rosyjskich kosmonautów, Siergieja Ryżikowa i Siergieja Kud-Swierczkowa. Dotarli oni na stację w październiku za pomocą rosyjskiego statku Sojuz.

SpaceX and NASA’S Crew 1 Mission Highlights

Crew-1 rozpoczyna erę operacyjnych misji komercyjnych na ISS. Umożliwia to nie tylko uniezależnienie się NASA od startów na rosyjskich rakietach, lecz także zwiększenie stałej załogi stacji z sześciu do siedmiu osób, dzięki czemu będzie można nawet podwoić czas spędzany przez astronautów amerykańskiej części stacji na pracach nad eksperymentami naukowymi, z około 35 godzin do około 70 godzin tygodniowo.

Dragon dokuje na ISS

Statek pozostanie na stacji przez około sześć miesięcy, powrót planowany jest kilka tygodni po starcie kolejnej misji załogowej SpaceX – Crew-2 – której start wstępnie planowany jest na koniec marca 2021 roku.

Branża aerospace w Polsce

Tak więc jesteśmy świadkami, że synergia firm rządowych z prywatnymi odnosi sukcesy, jednocześnie cieszymy się, że firmy te używają programów, z którymi na co dzień pracujemy, a sukcesy misji NASA i SpaceX potwierdzają jakość tych systemów. W tym miejscu warto zaznaczyć, że nie tylko zagraniczne firmy mają sukcesy w branży kosmicznej. W Polsce jest dużo firm z branży aerospace. Związek Pracodawców Sektora Kosmicznego zrzeszają duże firmy, małe i średnie przedsiębiorstwa oraz instytuty naukowo-badawcze, działające w branży kosmicznej. Do związku należą nasi klienci, którzy również z sukcesami używają oprogramowania Siemens dostarczonego przez firmę GM System, m.in. Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Lotnictwa.

Firma SpaceX, której właścicielem jest Elon Musk – właściciel Tesli, spełnia marzenia o podboju kosmosu, a jak wiemy, jego marzeniem jest wylądowanie na Marsie. Jak na razie wszystko idzie pomyślnie i być może już nie długo będziemy świadkami pierwszych kroków człowieka po czerwonej planecie. Marzenia się spełniają, ale z dobrym softem będzie to po prostu łatwiejsze.

Zobacz też:

https://www.youtube.com/channel/UCtI0Hodo5o5dUb67FeUjDeA – Kanał youtube SpaceX

https://en.wikipedia.org/wiki/SpaceX

https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_private_spaceflight_companies

https://en.wikipedia.org/wiki/Falcon_9

https://en.wikipedia.org/wiki/Private_spaceflight#NewSpace_terminology

https://spacex.com.pl/

https://www.spacex.com/

https://www.instagram.com/p/CHypE2Tl8sO/

https://blogs.sw.siemens.com/nx-design/re-igniting-the-dream-of-space/

https://blogs.sw.siemens.com/simcenter/apollo-13-the-first-digital-twin/

https://www.nasa.gov/

https://www.plm.automation.siemens.com/global/en/

https://space.biz.pl/

Opracował: Michał Sroka

Artykuł SpaceX – podbój kosmosu z programami CAE i CAD dla aerospace ( i nie tylko) pochodzi z serwisu GMSystem.

Nieliniowość geometryczna

Nieliniowość geometryczna występuje wówczas, gdy  w procesie konstrukcji właściwości sztywności lub obciążenia zmieniają się w znaczny sposób w wyniku deformacji. Analizy liniowe badają ustalony stan, natomiast jeżeli w naszej konstrukcji dochodzi do zginania, zachodzą wówczas naprężenia zginające. Jednakże nasza konstrukcja może być tak zaprojektowana, że przy pewnym odkształcaniu zaczyna dochodzić, oprócz zginania, dodatkowo rozciąganie. To jest właśnie nieliniowość geometryczna.

Rys. 1 Koło rowerowe nieliniowość geometryczna

W niniejszym artykule przedstawiamy sposób, w jaki możemy zasymulować model z uwzględnieniem nieliniowości geometrycznej na przykładnie tylnego koła rowerowego, ponieważ w tylnym kole zaplot jest niesymetryczny. Oznacza to, że w płaszczyźnie osi koła z prawej strony lub inaczej od strony napędu, mamy mniejszą odległość od płaszczyzny kołnierza do płaszczyzny symetrii obręczy z oponą niż z lewej strony. Wynika to z konieczności umieszczenia kasety z zębatkami itd. W związku z tym z prawej strony są krótsze szprychy niż z lewej. Ze względu na niesymetryczności kołnierzy piasty względem obręczy z oponą szprychy muszą mieć różną siłę naciągu, tak aby utrzymać obręcz z oponą w symetrii z osią piasty, czy inaczej mówiąc z symetrią tylnego widelca. Jeżeli tego nie zrobimy, to naciągniemy obręcz szprychami o tej samej długości i z tym samym naciągiem, uzyskamy symetrię obręczy równo z symetrią samych kołnierzy piasty, a to spowoduje ocieranie koła o tylny widelec.

Oczywiście zagadnień dotyczących naciągu, sztywności koła jest dużo więcej. Niekiedy stosuje się różny zaplot po jednej i drugiej stronie, stosuje się różną liczbą szprych. Natomiast, aby pokazać szybko różnice, w modelu jest ten sam zaplot na 3 krzyże z jednej i drugiej strony.

Gdzie tu jednak nieliniowość geometryczna? Naprężając stopniowo szprychy, są one rozciągane, ale od pewnego momentu oprócz naprężeń rozciągających lub osiowych pojawiają się siły, które chcą przesunąć obręcz względem piasty i wtedy w szprychach pojawia się zginanie. To jest właśnie efekt nieliniowości geometrycznej. Jak to wygląda w praktyce pokażemy na przykładzie.

Przykład nieliniowości geometrycznej

Rys.2 Model koła tylnego o jednakowym zaplocie.

Rys.3 Widok koła rowerowego w płaszczyźnie osi bez opony

Przygotowanie modelu obliczeniowego wygląda identycznie, jak w przypadku analiz liniowych. Musimy więc dyskretyzować model. Dla zobrazowania omawianego zagadnienia komponenty takie jak opona czy kaseta zostaną pominięte.

Rys.4 Siatka bryłowa obręczy oraz piasty

Szprychy zostaną zamodelowane jako elementy belkowe, łączą one obręcz koła z piastą. Łączenie elementów liniowych zostało zamodelowane za pomocą elementów sztywnych.

Rys.5 Szprychy łączące obręcz z piastą

Rys.6 Połączenie szprych za pomocą elementów sztywnych z piastą i obręczą

W tak zbudowanym modelu dyskretnym zadamy warunki brzegowe, które zostaną uwzględnione w analizie. W szprychach po stronie napędu, czyli z prawej strony, gdzie są krótsze szprychy nadam obciążenie wstępne 1100N jako obciążenie typu pre-bolt.

Rys.7 Naprężenie szprych od strony napędu

Szprychy z lewej strony zostaną również poddane naprężeniem wstępnym siłą 650N.

Rys 8. Naprężenie szprych z lewej strony

Stworzymy teraz analizę nieliniową, wybieram typ analizy Multi-Step Nonlinear Kinematic.

Rys. 9 Typ analizy

Nasz model obliczeniowy będzie uwzględniał naprężenie szprych, dlatego ustawiam Case jako typ analizy Bolt Preload. W dalszych krokach można ustawić parametry solwera, opcje zbieżności, liczbą kroków czasowych oraz warunki brzegowe.

Rys. 10 Ustawienia analizy

Rys. 11 Ustawienia warunków brzegowych do analizy

Po wykonaniu obliczeń możemy przejść do przeglądania wyników.

Wyświetlając deformacje widzimy, że mocniejszy naciąg z prawej strony spowodował przesunięcie się całej obręczy w prawo, wartość przesunięcia wynosi ~3mm. Nasza analiza nieliniowa pozwoliła w wielu krokach przeprowadzić kalkulacje modelu, jeżeli po odpowiednim naciągu, a więc rozciąganiu, nagle dochodzi do przesunięcia obręczy względem piasty, szprychy są dodatkowo gięte, analiza nieliniowa geometrycznie uwzględni to w naszych obliczeniach.

Rys. 12 Deformacja w analizie nieliniowej przy naciągu szprych z lewej strony 650N

Co by było, gdybyśmy nie skorzystali z możliwości Femap z analizami nieliniowymi? Zobaczmy.

Analiza statyczna, przy tych samych warunkach brzegowych pokazuje deformację na poziomie ~85mm. Więc tak duża deformacja jest wręcz nierealna i niewyobrażalna. Nie możemy bazować na takich wynikach.

Rys. 13 Deformacja przy analizie statycznej

W naszym modelu wykonaliśmy jeszcze analizę z większym naciągiem po lewej stronie, czyli naciąg z prawej strony 1100N a z lewej 850N.

Rys. 14 Deformacja w analizie nieliniowej przy naciągu szprych z lewej strony 800N

Wynik nie jest satysfakcjonujący, bo doszło do dużej deformacji ~1mm. Natomiast przy tym samym przypadku obliczeniowym analiza statyczna wykazuje przemieszczenie obręczy względem piasty rzędu 27 mm.

Rys. 15 Deformacja przy analizie statycznej 2

Po kolejnej zmianie, czyli obciążenie wstępne szprych odpowiednio 1100 N i 800 N deformacje wynoszą w analizie geometrycznie nieliniowej ~ 0,01 mm. W analizie statycznej 0,4mm to dalej procentowo jest bardzo duża różnica.

Rys. 16 Deformacja w analizie nieliniowej przy naciągu szprych z lewej strony 850N

Rys. 17 Deformacja przy analizie statycznej 3

Obliczenia nieliniowe geometrycznie są bardzo ważne i należy o tym pamiętać. Nie oznacza to, że każda analiza musi uwzględniać nieliniowość geometryczną. Użytkownik jest odpowiedzialny za prawidłowe obliczenia, a program jest tylko narzędziem, które nam to ułatwia i umożliwia. Jeśli natomiast występuje zmiana rodzaju naprężeń wraz z deformacją podczas zwiększania obciążenia, mamy do czynienia z nieliniowością geometryczną.

Nieliniowość geometryczną możemy spotkać w zbiornikach, silosach, urządzeniach dźwigowych oraz transportowych, czy nawet w poszczególnych częściach maszyn. Powyższy przykład koła pokazuje, jak łatwo zagadnienie nieliniowe można znaleźć w produktach z którymi mamy styczność od lat – niekiedy sobie nie zdając z tego sprawy.

Opracował: Michał Sroka

Artykuł Nieliniowość geometryczna w Femap pochodzi z serwisu GMSystem.

Il.1 Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Lotnictwa bierze udział w programie GO PLM! Na zdjęciu umowa podpisana przez Pawła Stężyckiego, dyrektor Sieci Badawczej Łukasiewicz-Instytutu Lotnictwa i Mariusza Zabielskiego, CEO Siemens Digital Industries Software Polska, Czechy, CEE

Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Lotnictwa jest klientem GM System od kilku lat. Wdrażaliśmy w Ł-ILOT oprogramowanie NX, Solid Edge i NX CAM produkcji Siemens, której jesteśmy partnerem o statusie Smart Expert w zakresie wymienionych powyżej programów oraz systemy Simcenter z grupy CAE. Na bardzo ważny aspekt naszej współpracy zwrócił uwagę Prezes Zarządu GM System, Grzegorz Kazimierczak:

– GM System rozpoczynało działalność w 2001 roku jako firma wdrażająca przede wszystkich oprogramowanie CAD, Solid Edge. W ciągu 20 lat rynek się jednak zmienił i dlatego obecnie inwestujemy w rozwiązania, które pozwalają na tworzenie przemysłu czwartej generacji, Industry 4.0. Oprócz systemów CAD, CAM i CAE rozwijam więc także zespół wdrażający platformę PLM do zarzadzania cyklem życia produktu. To właśnie współpraca z takimi firmami, jak Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Lotnictwa, powoduje nasz ciągły rozwój. Zyskujemy cenne doświadczenie, ale możemy też zaproponować naszym klientom kolejne, coraz bardziej zaawansowane i nowatorskie rozwiązania. Dziś jesteśmy ekspertem w dziedzinie złożonych, wieloaspektowych wdrożeń CAD – CAM – CAE – PLM. Współpraca pomiędzy naszymi instytucjami, czyli Siecią Badawczą Łukasiewicz – Instytut Lotnictwa, Siemens i GM System jest przykładem synergii, przepływu nie tylko licencji, ale także wiedzy, która jest potrzebna nam wszystkim. Bardzo się cieszę, że inżynierowie w Instytucie Lotnictwa będą mogli korzystać z wdrażanego przez nas oprogramowania także w celach edukacyjnych. Jest to kolejny etap naszej współpracy, rozpoczętej kilka lat temu. Kiedyś przeczytałem powiedzonko przypisywane starożytnemu uczonemu: „Wiele nauczyłem się z książek, jeszcze więcej nauczyłem się od moich mistrzów, ale najwięcej nauczyłem się od moich uczniów”. Jeśli zamienimy „uczniów” na „klientów”, to w dużym stopniu oddamy nasze relacje z takimi podmiotami, jak Instytut Lotnictwa. Dziękuję za stawianie wyzwań i podnoszenie poprzeczki – to dla nas zysk trudny do oszacowania.

Ze strony GM System całość wdrożeń CAx/PLM pilotuje Daniel Pastuszka, Manager ds. Wdrożeń PLM.

Il. 2 Dobra współpraca: od prawej Mariusz Zabielski, Paweł Stężycki, Grzegorz Kazimierczak

Na naukowy aspekt współpracy zwrócił uwagę także Mariusz Zabielski, CEO Siemens Digital Industries Software Polska, Czechy, CEE:
– Program GO PLM jest bardzo istotnym elementem naszej działalności. Zapewnienie dostępu do najnowocześniejszego oprogramowania takim jednostkom, jak Łukasiewicz – Instytut Lotnictwa umożliwia realizację innowacyjnych i wyjątkowych projektów. Wierzymy również, że dzięki tego typu inicjatywom, udaje się zbliżyć sferę nauki i biznesu, co ma ogromne znaczenie dla rozwoju gospodarki.

Rys. 3 Przedstawiciele współpracujących firm, od lewej: Ryszard Ostrowski (Siemens), Mariusz Jabłoński (Sieć Badawcza Łukasiewicz), Mariusz Zabielski (Siemens), Jakub Mazurkiewicz (Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Lotnictwa), Paweł Stężycki (Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Lotnictwa), Grzegorz Kazimierczak (GM System), Sylwester Wyka ((Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Lotnictwa), Daniel Pastuszka (GM System).

Po części oficjalnej, której kluczowym elementem było podpisanie umowy, zwiedziliśmy kilka laboratoriów Instytutu: Centrum Technologii Kompozytowych, Laboratorium Badań Aerodynamicznych, Laboratorium Badania Łożysk, Laboratorium Druku 3D, Centrum Turbin Gazowych. Inżynierowie odpowiedzialni za poszczególne jednostki przedstawili specyfikę prowadzonych w nich badań – ich zakres oraz stopień zaawansowania są imponujące i stawiają Sieć Badawczą Łukasiewicz – Instytut Lotnictwa w rzędzie najważniejszych europejskich i światowych graczy w dziedzinie badań lotniczych. Jesteśmy dumni, i nie jest to tylko grzecznościowa formułka, ze współpracy z takim partnerem.

Il. 4 Daniel Pastuszka za kokpitem sterującym największego w Polsce i Europie Środkowo-Wschodniej tunelu aerodynamicznego

Il. 5 Uczestnicy spotkania w Laboratorium Druku 3D

Mamy nadzieję, że w kolejnych latach współpraca instytucji Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Lotniactwa, Sieć Badawcza Łukasiewicz, Siemens i GM System będzie się rozwijać równie owocnie.

Artykuł Współpraca Sieci Badawczej Łukasiewicz – Instytut Lotnictwa z firmami GM System i Siemens Digital Industries Software pochodzi z serwisu GMSystem.

Otrzymując konstrukcję do analizy chcemy ją sprawdzić jak najdokładniej, więc czasami wymaga to dużego nakładu czasu. Chcąc zmniejszyć czasochłonność procesu przygotowania modelu, upraszcza się geometrię do obliczeń. Można w tym celu zastosować różne techniki, poczynając od usunięcia operacji technologicznych czy elementów nie wpływających na wytrzymałość, a mogących skomplikować tworzenie dokładnej i regularnej siatki.

W naszych publikacjach na blogu można znaleźć informacje, w jaki sposób modelować konstrukcje, zamieniając model bryłowy na powłoki. Przedstawiono również narzędzia meshing toolbog. Jest to niewątpliwie jedno z najbardziej cenionych i wykorzystywanych narzędzi, dzięki któremu w bardzo łatwy i szybki interaktywny sposób możemy modyfikować siatki. W tym artykule chciałbym jednak pokazać, jak można szybko przygotować model do obliczeń stosując siatkę sześcienną typu hexa. Sześcienna siatka charakteryzuje się bardzo dużą dokładnością i szybkością w obliczeniach, ale mechanizm nakładania takiej siatki jest na tyle skomplikowany, że bywają problemy z utworzeniem odpowiednich modeli w pełni automatyczny sposób. Femap wychodzi naprzeciw wymaganiom klientów i dostarcza kilka ciekawych funkcji i narzędzi pomagających uzyskać odpowiednią geometrię do utworzenia siatki sześciennej.

Tworzenie siatki hexa krok po kroku

Rys. 1 Geometria modelu w Femap. Na przedstawionej powyżej geometrii będziemy tworzyli siatkę sześcienną. Symetryczny kształt umożliwia zastosowanie symetrii w obliczeniach, można więc zrobić podział na wycinku geometrii. Natomiast, jeżeli ktoś potrzebuje mieć model bez stosowania tego typu zabiegu (np. jest to element ze złożenia i musimy mieć pełną geometrię), to możemy skorzystać z opisanych funkcji. Na koniec podpowiem, jak uzyskać w pełni funkcjonalny model geometryczny z siatką.

Rys. 2 Wycinek geometrii utworzony w FemapDzieląc model symetrycznie uzyskujemy ¼ modelu. W celu łatwiejszego manipulowania modelem na ekranie można skorzystać z nowego narzędzia Live screen entity.

Rys. 3 Opis narzędzia Live screen entityWycinek naszego modelu nie jest jeszcze optymalny pod stworzenie siatki hexa. W tym celu skorzystano z polecenia Slice…, aby podzielić model na mniejsze elementy. W poleceniu Slice można skorzystać z opcji Repeated Slicing. Wówczas program po podziale nie zamyka okna i zostawia je w dalszym ciągu otwarte i gotowe do dalszych podziałów.

Rys. 4 Opcje narzędzia SlicePo dokonaniu niezbędnych podziałów otrzymujemy poniższą geometrię.

Rys. 5 Podzielona geometriaW przypadku, gdy na którymś obiekcie program rozpozna, że nie można nałożyć automatycznej siatki sześciennej, zasygnalizuje nam to kolorem czerwonym na danym obiekcie.

Rys. 6 Geometria przygotowana do siatki hexa

Rys. 7 Geometria z obiektami, na którą nie można nałożyć automatycznie siatki hexaPo zdefiniowaniu parametrów siatki sześciennej można ją stworzyć z odpowiednim materiałem.

Rys. 8 Geometria podzielona pod siatki Hexa

Rys. 9 Automatyczna siatka hexa. Siatka automatyczna nie zawsze zadowoli wymagającego użytkownika. Niekiedy oczekujemy dużo lepszej jakości. W tym przypadku można posłużyć się nałożeniem siatki powłokowej typu PLOT z odwzorowaniem, korzystając z szybkiego i skutecznego narzędzia meshing toolbox. Po stworzeniu siatek powłokowych otrzymamy mniej więcej efekt, jak na poniższej ilustracji.

Rys. 10 Siatka powierzchniowa z otworowaniem. Narzędzie nie jest dedykowane do tworzenia siatki hexa, ale definiuje odpowiednie prowadzenie elementów skończonych na powierzchniach, a to pomoże nam zdefiniować, jak ma wyglądać finalna siatka.

Końcowe etapy pracy

Po usunięciu siatki powłokowej i ponownym zdefiniowaniu parametrów siatki hexa, program wykona nam dużo lepszą jakościowo siatkę. Przy dobrym podziale bryły na mniejsze obiekty, już za pierwszym razem osiągniemy pożądany efekt. Niekiedy automat zadziała inaczej niż my zakładamy, ale wtedy można skorzystać z ręcznego zdefiniowania, jak program ma poprowadzić siatkę.

Rys. 11 Gotowa siatka hexa w Femap. Mamy już gotową geometrię z siatką hexa, ale tylko na ¼ obiektu. W celu uzyskania ponownie pełnego modelu możemy odpowiednio skopiować bryły, ale co się stanie z parametrami naszej siatki? Wersja Femap 12 umożliwia skopiowanie obiektów  geometrycznych z narzuconymi już atrybutami takimi, jak siatka czy warunki brzegowe. Po odpowiednim odbiciu geometrii otrzymujemy kompletny detal wraz z wysokiej jakości siatką elementów skończonych.

Rys. 12 Opcje kopiowania obiektów geometrycznych. Wydajne narzędzia Femap pozwalają na szybkie i efektywne przygotowanie modeli obliczeniowych, które zadowolą najbardziej wymagających użytkowników. Wysokiej jakości modele dyskretne pozwalają na uzyskanie bardzo dokładnych wyników.

Rys. 13 Gotowa siatka hexa

Rys. 14 Wyniki analizy na gotowej siatce hexaOpracował: Michał SrokaJeżeli szukasz rozwiązań CAE lub potrzebujesz sprawdzić własną konstrukcje, skontaktuj się z nami.

Artykuł Siatki hexa w Femap pochodzi z serwisu GMSystem.

Rys. 1: Porównanie wyników przy zastosowaniu różnych siatek

Przygotowując konstrukcje do obliczeń często spotykamy się z połączeniami sworzniowymi. Możemy sobie z nimi w prosty i szybki sposób poradzić modelując model bryłowo. Wprowadza to jednak zwiększoną liczbę elementów skończonych oraz wymusza stosowanie kontaktów, co przekłada się na czas obliczeń. W Femap możemy zastąpić elementy bryłowe wraz z kontaktami, zastępując sworzeń elementami 1D i stosując elementy GAP jako połączenie sworznia 1D z geometrią otworu.

Rys. 2: geometria modelu ze sworzniem

Stworzenie modelu dyskretnego

W przedstawionym modelu stworzono siatkę elementów skończonych dla bryły stosując siatkę typu heksa. Do utworzenia siatki heksahedralnej podzielono wcześniej model na mniejsze obiekty łatwe do zmeszowania.

Rys. 3: podział modelu na mniejsze obiekty

Tak przygotowana geometria jest gotowa do stworzenia siatki. Nadano rozmiar i nałożono siatkę heksa. Do tego celu zastosowano sztuczkę korzystając z narzędzia Meshing Toolbox, dzięki czemu uzyskano ładny rozkład elementów wokół otworów.

Rys. 4: stworzona siatka heksa

W otworach utworzono elementy RBE2, w ten sposób połączyliśmy wszystkie węzły z powierzchni otworu ze środkiem otworu. Elementy RBE2 to elementy sztywne i względnie położenie siatek połączonych przez ten typ elementu nie zmienia się. Usztywniliśmy w ten sposób całą powierzchnię otworu.

Rys. 5: stworzenie elementów sztywnych RBE2

Wstawianie elementów GAP

Taka konstrukcja nie pokaże nam prawidłowego oddziaływania sworznia w otworze. Dlatego pomiędzy końce elementów RBE2 a węzły na powierzchni otworu zostaną wstawione elementy GAP. Są to nieliniowe elementy dwuwęzłowe w przestrzeni trójwymiarowej, które mają różne parametry sztywności na ściskanie, rozciąganie oraz ścinanie. W definicji elementu GAP zdefiniowano dużą sztywność na ściskanie i zerową sztywność na rozciąganie i ścinanie. Dzięki takiemu połączeniu uzyskamy efekt oddziaływania sworznia na detal w miejscu styku i brak naprężeń, gdzie sworzeń będzie „odrywany” od powierzchni otworu. Do stworzenia elementów GAP w odpowiednich miejscach skorzystano z „rozszycia siatki”. Powoduje to oddzielenie siatek tak, aby sąsiadujące elementy skończone nie miały wspólnego węzła. Femap w miejsce rozszycia siatki może wstawić elementy pośrednie i w tym przypadku wskazano elementy GAP.

Rys. 6: wstawienie elementów GAP pomiędzy elementy sztywne a węzły w otworze

Pomiędzy środkami elementów sztywnych utworzono element belkowy o właściwościach przekroju sworznia.

Rys. 7: wstawienie elementu belkowego

Ponieważ element belkowy został stworzony pomiędzy dwoma węzłami, dodatkowo podzielono długość sworznia na 10 równych odcinków.

Rys. 8: podział elementu belkowego na 10 odcinków

Analiza modelu

Po nadaniu warunków brzegowych model jest gotowy do obliczeń. W definicji solvera należy zaznaczyć opcję, aby elementy typu GAP były traktowane jako kontakt. To pozwoli na użycie w obliczeniach nieliniowych elementów w analizach liniowych, co jest niewątpliwą zaletą Femap. Wyniki przedstawiono poniżej.

Rys. 9: wyniki analizy sworznia z elementami GAPW

opisany powyżej sposób pokazano jak szybko zamodelować konstrukcję uwzględniając połączenia sworzniowe. Dla porównania dokładności obliczeń przedstawiono wyniki z uwzględnieniem bryłowej reprezentacji sworznia.

Rys. 10: wyniki z uwzględnieniem sworznia jako model 3D

Porównanie wyników i czasów obliczeń

Czas przygotowania i obliczeń ma też niebagatelne znaczenie. Z powodu ograniczenia liczby węzłów oraz zagadnień kontaktowych czas obliczeń został mocno skrócony. Poniżej przedstawiono tabelę z porównaniem wyników dla poszczególnych siatek przy założeniu, że każdy model obliczeniowy zawiera ten sam rozmiar elementu skończonego.

Rys. 11: porównanie wyników przy zastosowaniu różnych siatek

Opracował: Michał Sroka

Jeśli interesuje Cię program Femap (lub inny program CAE), skontaktuj się z nami.

Artykuł Jak przyspieszyć obliczenia w Femap poprzez zastosowanie elementów RBE2 i GAP w połączeniach sworzniowych? pochodzi z serwisu GMSystem.