Tworzenie innowacyjnych produktów wymaga doskonałego rozumienia parametrów użytkowych projektu, a inżynierowie, którzy potrafią przewidzieć przyszłe funkcjonowanie projektowanych urządzeń są skuteczniejsi, bardziej innowacyjni i przede wszystkim odnoszą większe sukcesy.
Zintegrowane środowisko SOLIDWORKS Simulation i 3D CAD umożliwia intuicyjne, dokładne i efektywne kosztowo symulacje, które przewidują funkcjonowanie produktów. Pozwalają precyzyjnie zmieniać wymiary i optymalizować projekty bez konieczności budowania prototypów i oszczędzić czas potrzebny na ich testowanie. SOLIDWORKS Simulation umożliwia precyzyjne rozwiązywanie problemów pojawiających się w wyniku złożonych analiz, tym samym pomaga pokonać przeszkody w postaci ograniczonego czasu i budżetu oraz spełnić oczekiwania jakościowe.
JAK DOKŁADNOŚĆ SYMULACJI WPŁYWA NA ROZWÓJ PRODUKTU
Opracowanie udanego projektu wymaga innowacyjności, niezawodności i szybkości. Inżynier projektu musi zadbać nie tylko o to, aby spełnić wymagania funkcjonalne, musi też stworzyć produkt unikalny, niezawodny i który można będzie wdrożyć do produkcji. A wszystko trzeba zrobić szybko i niskim kosztem. Aby osiągnąć te cele, trzeba jak najwcześniej uzyskać maksimum informacji na temat funkcjonowania projektowanego produktu w rzeczywistych warunkach, bez ponoszenia kosztów budowy i testowania fizycznych prototypów ani zlecania przeprowadzenia odpowiednich symulacji.
Zintegrowane rozwiązania programu SOLIDWORKS Simulation umożliwiają przeprowadzenie dokładnych symulacji metodą analizy elementów skończonych w środowisku SOLIDWORKS CAD i uzyskanie szybkiego dostępu do wyników analiz strukturalnych, takich jak: poziom naprężeń, kształt deformacji, okres eksploatacji itp. — już na wczesnym etapie opracowywania produktu. Te kluczowe dla projektu informacje pomagają w:
• Tworzeniu innowacyjnych produktów
• Ograniczeniu kosztów wykonywania prototypów
• Skróceniu czasu wprowadzania produktu na rynek
• Optymalizacji wykorzystania materiałów
• Wyeliminowaniu wątpliwości związanych z projektem
• Zminimalizowaniu problemów eksploatacyjnych
• Zmniejszeniu reklamacji gwarancyjnych i zwrotów
• Zwiększeniu dochodowości
Intuicyjny interfejs użytkownika, wydajne solvery i bogate możliwości symulacji sprawiają, że SOLIDWORKS Simulation jest zintegrowanym rozwiązaniem umożliwiającym przeprowadzanie analiz projektów, które jest szybsze i łatwiejsze w obsłudze w porównaniu do innych pakietów symulacyjnych, a przy tym dostarcza tak samo dokładne wyniki. Niniejszy dokument zawiera omówienie możliwości skomplikowanych analiz oraz przedstawia, w jaki sposób unikalne połączenie precyzji, łatwości obsługi i mocy oferowanej przez oprogramowanie SOLIDWORKS Simulation ułatwia proces opracowywania produktu.
JAK PRECYZYJNIE SYMULACJE METODĄ ELEMENTÓW SKOŃCZONYCH ODWZOROWUJĄ RZECZYWISTOŚĆ?
Można powiedzieć, że systemy FEA wykorzystują analizę metodą elementów skończonych — metodę numeryczną do rozwiązywania problemów określania wartości brzegowych równań różniczkowych w zakresie fizyki i inżynierii. Model przedstawiany jest jako dyskretyzacja geometrii — utworzenie siatki z geometrii i elementów. Systemy FEA, niezależnie od pakietu, bazują na metodzie elementów skończonych, zatem uzyskiwane wyniki zawsze są pewnym przybliżeniem — wystarczającym do podejmowania ważnych decyzji w kwestii projektu, jednak nigdy nieoddającym rzeczywistości w 100 procentach. Zawsze jest też zawarty w nich błąd dyskretyzacji.
Solvery wbudowane w systemy FEA wykorzystują algorytmy obliczeniowe do generowania równań różniczkowych dla każdego elementu z geometrii projektu, powiązań, właściwości materiałowych i obciążeń. Następnie równania różniczkowe są konwertowane do równań macierzy każdego elementu, te zaś tworzą globalne równanie macierzy dla całego modelu. Są one następnie rozwiązywane za pomocą solverów Direct Sparse lub solverów iteracyjnych. Solvery Direct Sparse wykorzystują metodę eliminacji Gaussa do rozwiązania globalnego równania macierzy, natomiast solvery iteracyjne wykorzystują metodę dekompozycji domeny.
Matematyczne fundamenty funkcjonowania systemów FEA oznaczają, że aby uzyskać wyniki najbardziej zbliżone do rzeczywistości, inżynierowie muszą dokładnie określić obciążenia i warunki brzegowe. Ponieważ programy FEA dobrze oddają funkcjonowanie projektu, bardzo ważne jest przyjęcie odpowiednich założeń problemowych, aby symulacja rzeczywistości była jak najbardziej dokładna.
Właściwym pytaniem dotyczącym dokładności symulacji systemów FEA względem rzeczywistości jest: do jakiej dokładności wyników dążymy? W większości przypadków tolerancja błędu w granicach ±5 procent jest wystarczająca do podjęcia właściwych decyzji projektowych.
CO MOŻE BYĆ PRZEDMIOTEM SYMULACJI?
Technologia analizy metodą elementów skończonych (FEA) wraz z obliczeniową dynamiką płynów (CFD) umożliwia wykorzystywanie komputerowego modelowania matematycznego do przybliżania i symulowania złożonych zjawisk świata fizyki, w tym zachowania strukturalnego, przekazywania ciepła, przepływu cieczy i dynamiki.
Analiza strukturalna
Za pomocą oprogramowania FEA można symulować rożne zachowania związane z mechaniką brył. Czy naprężenia wewnątrz struktury — na przykład elementu maszyny lub kratownicy mostu — spowodowane obciążeniem roboczym doprowadzą do jej złamania, wyboczenia, ustąpienia czy deformacji? Jakie są naturalne częstotliwości danej struktury i jak wpłyną one na zachowanie projektowanego elementu? Jakie będzie przesunięcie, wibracja bądź zmęczenie materiału? Podczas tworzenia projektów, w których dwa lub więcej elementów wchodzi ze sobą w kontakt, warto dowiedzieć się, jak ten kontakt wpłynie na funkcjonowanie całego projektu. Dodatkowo można przeprowadzić badania kinematyczne, a na ich podstawie wyciągnąć wnioski w zakresie obciążeń do przeprowadzenia kolejnych analiz strukturalnych.
Analiza termiczna
Zrozumienie wpływu przekazywania ciepła na wartości użytkowe projektu jest istotne dla coraz większej liczby produktów ze względu na bezpieczeństwo ich funkcjonowania i wydajność. Właściwości wielu materiałów są uzależnione od temperatury. Oprogramowanie do symulacji może zobrazować różne rodzaje przekazywania ciepła — w tym przewodzenie, konwekcję oraz promieniowanie — i obliczyć wartość przekazywanego ciepła wewnątrz i pomiędzy komponentami danego projektu w jego środowisku pracy. Można symulować efekty w stanie ustalonym i nieustalonym. Problemy termiczne można rozwiązywać zarówno za pomocą analizy strukturalnej, jak również analizy przepływu płynów. W przypadku termicznej analizy strukturalnej, efekt przepływu powietrza lub płynów traktowany jest jako obciążenie lub warunek brzegowy. W analizie przepływu płynów można obliczyć efekt termiczny związany z ruchem płynów, niezależnie od tego, czy będzie to ciecz czy gaz.
Analiza obliczeniowa dynamiki płynów
Oprogramowanie do analizy obliczeniowej dynamiki płynów (Computational Fluid Dynamics – CFD) można wykorzystać do zaspokojenia oczekiwań rynku związanych z ciągłym wzrostem zapotrzebowania na zrozumienie wpływu zachowania i dynamiki płynów — zarówno cieczy, jak i gazów — na parametry użytkowe projektu. Pierwotnie technologia analizy metodą symulacji przepływów za pomocą programu SOLIDWORKS Flow Simulation CFD była wykorzystana głównie jako alternatywne rozwiązanie do drogich testów w tunelach aerodynamicznych w celu poprawy właściwości aerodynamicznych samolotów i samochodów. Obecnie jednak jest coraz częściej używana do obliczania innych problemów związanych z przepływem, takich jak weryfikacja skutecznego chłodzenia elementów elektronicznych, maksymalizacja skuteczności działania systemów grzewczych, wentylacyjnych i klimatyzacyjnych oraz optymalizacja związanych z przepływem procesów produkcyjnych.
Liniowe i nieliniowe analizy FEA
Jakkolwiek można używać narzędzi liniowej analizy FEA do symulacji zachowań wielu typów projektów, jednak niektóre zjawiska fizyczne mają charakter nieliniowy. Inaczej mówiąc, reakcja fizyczna będzie nieproporcjonalna do obciążeń i warunków brzegowych. Podczas pracy z materiałami nieliniowymi takimi jak guma czy plastik, mając do czynienia z geometrią nieliniową, interakcją nieliniową między częściami lub obciążeniami i warunkami brzegowymi, trzeba również przeprowadzić nieliniową analizę FEA, aby poprawić dokładność przybliżenia.
SOLIDWORKS SIMULATION: DOKŁADNOŚĆ + INTUICYJNOŚĆ = WYDAJNOŚĆ
Oprogramowanie SOLIDWORKS Simulation oferuje największy potencjał skutecznej poprawy procesu przygotowania produktu dzięki unikalnemu połączeniu łatwości obsługi, szybkości, precyzji i wydajności. Dzięki niemu dostępna jest cała paleta różnego rodzaju analiz — łącznie z solverami, narzędziami do generowania siatek i narzędziami komunikacyjnymi — wszystko bezpośrednio w środowisku modelowania SOLIDWORKS CAD.
Możliwości
Rozwiązanie SOLIDWORKS Simulation udostępnia pełen zakres analiz i może przeprowadzić praktycznie każdy wymagany rodzaj symulacji, w tym:
• Analizę strukturalną – od prostych aspektów liniowych po skomplikowane problemy nieliniowe
• Liniową i nieliniową analizę wibracji
• Analizę termiczną – w stanie ustalonym i nieustalonym
• Analizę trwałości zmęczeniowej
• Analizę przepływu płynów
• Symulację ruchu
• Multidyscyplinarne analizy fizyczne składające się z wielu powyższych analiz
Za pomocą SOLIDWORKS Simulation można też przeprowadzić wiele rodzajów badań związanych z prowadzonymi analizami, są to między innymi:
• Statyczne (naprężenia)
• Częstotliwości
• Wyboczenia
• Zmęczenia
• Wibracji
• Kontaktu
• Złożenia
• Nieliniowe
• Dynamiczne
• Historii modalnej
• Harmoniczne
• Drgań losowych
• Spektrum reakcji
• Optymalizacji projektu
• Kinematyki i dynamiki
• Komponentów z gumy i tworzyw sztucznych
• Przepływu płynu
• Zarządzania termicznego w produktach elektronicznych
• Czynników komfortu cieplnego
• Połączone termiczno-strukturalne
• Połączone termicznoprzepływu płynów
• Formowania i odlewanie tworzyw sztucznych
• Wpływu na środowisko
Generatory siatek
Oprogramowanie SOLIDWORKS Simulation umożliwia wykorzystanie szybkich generatorów siatek oraz potężnych narzędzi do ich udoskonalania, łącznie z metodami adaptacyjnymi typu h i typu p poprawiającymi dokładność symulacji. W zależności od potrzeb można zdefiniować typ siatki jako bryłowy, skorupowy, belkowy lub mieszany. Można też wybrać sposób prezentacji problemu między dwuwymiarowym a trójwymiarowym. Ścisła integracja programu SOLIDWORKS Simulation ze środowiskiem SOLIDWORKS CAD umożliwia automatyczną translację geometrii w siatkę, konstrukcji spawanych w belki, powierzchni w skorupy.
Solvery
Oprogramowanie FEA SOLIDWORKS Simulation umożliwia stosowanie zarówno bezpośrednich jak i iteracyjnych metod rozwiązywania problemów za pomocą solverów Direct Sparse lub FFEPlus. Oprogramowanie automatycznie wybierze najlepszy solver do danego rodzaju analizy. Przykładowo solver Direct Sparse zostanie zastosowany do badań częstotliwości, wyboczeń i termalnych, natomiast do analiz nieliniowych i kontaktowych zostanie domyślnie wybrany solver FFEPlus. W przypadku dużych modeli — z milionami stopni swobody automatycznie zostanie wybrany duży solver Direct Sparse.
Raporty końcowe
Po przeprowadzeniu analizy zachodzi potrzeba jej udokumentowania. Oprogramowanie SOLIDWORKS Simulation umożliwia automatyczne utworzenie raportu inżynieryjnego opartego o uzyskane wyniki. Wyniki badań strukturalnych, termicznych, ruchu i przepływu można z łatwością opatrzyć animacjami, które podkreślą najważniejsze aspekty tych badań. Można je też zapisać w kompaktowym pliku SOLIDWORKS eDrawings, co umożliwia ich przesyłanie za pomocą poczty elektronicznej, tabletów i smartfonów.
Integracja ze środowiskiem CAD
Tym, co naprawdę wyróżnia oprogramowanie SOLIDWORKS Simulation od innych pakietów FEA jest jego pełna integracja ze środowiskiem modelowania SOLIDWORKS CAD. Dzięki SOLIDWORKS Simulation nie ma potrzeby importowania lub eksportowania modeli zarówno do przeprowadzenia analizy, jak też ich modyfikowania w oparciu o wyniki symulacji. Nie trzeba powtarzać tego cyklu w celu ponownego przeprowadzenia analizy. Ze względu na to, że wszystkie symulacje FEA i CFD przeprowadzane są bezpośrednio w środowisku modelowania SOLIDWORKS CAD można zacząć ich używać już na wstępnym etapie projektowania. Można też skorzystać z narzędzi programu CAD takich jak konfiguracje projektowe, umożliwiających przeprowadzenie całego pakietu analiz na jednym modelu, pojedynczej analizy na pakiecie modeli lub dowolnej kombinacji powyższych. Dodatkowo można też wzbogacić dane CAD — m.in. o właściwości materiału, umiejscowienie elementów (wiązania), definicje łączników, aby usprawnić konfigurowanie planowanych symulacji.
SPRAWDZENIE DOKŁADNOŚCI WYNIKÓW SOLIDWORKS SIMULATION
Dokładność uzyskiwanych wyników przy zastosowaniu oprogramowania SOLIDWORKS Simulation można sprawdzać za pomocą weryfikatora problemów i testów wydajności udostępnionych przez NAFEMS (National Agency for Finite Element Methods and Standards – Narodowa Agencja ds. Metod i Standardów Elementów Skończonych), które dostarczane są wraz z oprogramowaniem. Oprogramowanie SOLIDWORKS Simulation umożliwia weryfikację problemów wszystkich typów analiz. Odbywa się to przez porównanie wyników badań SOLIDWORKS Simulation FEA ze znanymi rozwiązaniami analitycznymi. Pakiet oprogramowania zawiera również testy wydajności NAFEMS przeznaczone dla badań statycznych, termicznych, nieliniowych, częstotliwości i liniowych dynamicznych. Testy wydajności NAFEMS dokumentują dokładność wyników analiz wszystkich pakietów FEA dostępnych na rynku. Poniżej zamieszczono przykłady weryfikacji problemów dokonanych za pomocą oprogramowania SOLIDWORKS Simulation i testów NAFEMS.
Zginanie belki wspornikowej
Opis
Należy obliczyć maksymalne ugięcie i maksymalny obrót (θ) belki wspornikowej obciążonej
siłą ścinającą o wartości 1 funta, działającą na swobodny koniec wspornika. Wspornik
ma długość 10 cali i przekrój poprzeczny 1 x 1 cal. Belka wspornikowa jest modelowana
jako dwa identyczne wsporniki połączone we wspólnym miejscu przy użyciu warunku
kontaktowego „Wiązane”.
Typ badania
Statyczne
Typ siatki
Siatka bryłowa i siatka belki w oddzielnych badaniach
Właściwości materiału
Współczynnik sprężystości = 1 x 10^6 psi,
współczynnik Poissona = 0,4
Wyniki
Rozwiązanie analityczne
Przemieszczenie swobodnego końca: UX = (2* P*L3 ) / ( 6* E*I )
Obrót końca: θ = 3 * UX / (2*L)
gdzie:
• P: Siła ścinająca
• L: Długość belki
• E: Współczynnik sprężystości
• I: Moment bezwładności obszaru
Częstotliwości skrzydła trójkątnego
Opis
Należy obliczyć częstotliwości drgań własnych skrzydła w kształcie równoramiennego trójkąta prostokątnego. Równe boki trójkąta mają długość 6 cali, a jego grubość wynosi 0,034 cala. Jeden z równych
boków trójkąta jest unieruchomiony.
Typ badania
Częstotliwości
Typ siatki
Siatka skorupy
Parametry materiału
Grubość skorupy = 0,034 cala – wyrażenie skorupy cienkiej
Właściwości materiału
Współczynnik sprężystości = 6,5 x 10^6 psi,
współczynnik Poissona = 0,3541,
gęstość = 0,06411 funta/cal3
Wyniki
Odniesienie
„ASME Pressure Vessel and Piping 1972 Computer Programs Verification, by I.S. Tuba and W. B. Wright, ASME Publication I-24, Problem 2.
Przepływ ciepła w stanie ustalonym w płycie ortotropowej
Opis
Płyta prostokątna 1m x 2m x 0,1m generuje ciepło w ilości Q = 100 W/m3.
Dwie przylegające krawędzie są izolowane, a dwie pozostałe krawędzie rozpraszają
ciepło do atmosfery o temperaturze 0º C. Płyta ma właściwości ortotropowe.
Należy określić rozkład temperatur w płycie w stanie ustalonym.
Typ badania
Analiza termiczna stanu ustalonego.
Typ siatki
Siatka skorupy.
Parametry skorupy
Grubość skorupy = 0,1 m – wyrażenie skorupy cienkiej.
Właściwości materiału i inne dane wejściowe:
Współczynnik przewodzenia ciepła w kierunku X = KX = 10 W/(m.K).
Współczynnik przewodzenia ciepła w kierunku Y = KY = 0 w/(m.ºK )
Współczynnik konwekcji wzdłuż długiej krawędzi = h1 = 10 w/m2.K.
Współczynnik konwekcji wzdłuż krótkiej krawędzi = h2 = 1 w/m2.K.
Wskazówki modelowania
Modelowana jest jedna połówka płyty. Warunki izolacyjne są stosowane automatycznie,
gdy nie zastosowano żadnego innego warunku.
Wyniki
Graf zmienności temperatury w kierunku X wzdłuż dolnej krawędzi modelu ukazano
na poniższym rysunku. Graf charakteryzuje się dobrą zgodnością z wynikami odniesienia.
Odniesienie
M. N. Ozisik, „Heat Conduction”, Wiley, New York, 1980.
DOKŁADNOŚĆ SOLIDWORKS SIMULATION DROGĄ DO INNOWACYJNYCH ROZWIĄZAŃ
Uzyskanie informacji o tym, jak dany projekt będzie funkcjonował w swoim środowisku operacyjnym pomaga w tworzeniu innowacyjnych rozwiązań w skuteczniejszy i bardziej ekonomiczny sposób. Dzięki zastosowaniu SOLIDWORKS Simulation można przeprowadzić cały szereg analiz dostarczających informacji na temat wartości użytkowych projektu bezpośrednio w środowisku modelowania SOLIDWORKS CAD i pominąć kosztowny
i długotrwały proces wykonywania kolejnych prototypów.
Oprogramowanie SOLIDWORKS Simulation umożliwia wzrost produktywności, lepszą kontrolę kosztów, wyeliminowanie problemów produkcyjnych, zmniejszenie problemów eksploatacyjnych oraz poprawę wydajności i pewności projektowania. Dokładne wyniki uzyskane dzięki SOLIDWORKS Simulation mogą być podstawą do wprowadzenia do projektu ważnych zmian, poprawiających jakość i zwiększających innowacyjność produktów — w krótszym czasie i przy mniejszym nakładzie kosztów.
Więcej informacji o tym, w jaki sposób wydajne rozwiązania SOLIDWORKS Simulation mogą udoskonalać proces opracowywania produktów można znaleźć na stronie https://premiumsolutions.pl/program/solidworks-simulation/ lub skontaktuj się z nami.
Źródło: SOLIDWORKS WHITE PAPERS
