CAE Simulácia: Ako to funguje a aký to má prínos

CAE (Computer-aided engineering) simulácie pracujú a využívajú počítačové technológie, kde použitím počítača rozdelia 3D model produktu na malé elementy, zadajú okrajové podmienky a zaťaženia pôsobiace na geometriu výrobku, spustí sa výpočet matice tuhosti pre presné určenie správania sa geometrie 3D modelu produktu.

CAE simulácie umožňujú spoločnostiam zaoberajúcim sa vývojom produktov byť na špičke priemyslu a rýchleho uvedenia produktov na trh. Poďme sa detailnejšie pozrieť na to, ako to celé funguje a aké to môže mať pre Vás výhody.  

Oblasti CAE Simulácií

CAE simulácie možno použiť na rôzne analýzy vrátane nasledujúcich analýz:

Štrukturálne analýzy zisťujú napätia, deformácie a posuny pre zaťažené objekty, ktoré môžu byť statické, alebo dynamické (menia sa ako funkcia času, alebo frekvenie).
Modálne analýzy určujú prirodzené, vlastné frekvencie a tvary objektov. Poznanie týchto prirodzených frekvencií pomáha vyhnúť sa rezonanciám v dôsledku blízkych zdrojov vibrácií.
Tepelné analýzy počítajú teploty a tepelný tok pre objekty, vedením, prúdením a žiarením. Analýzy môžu byť v ustálenom stave (teplota sa v čase nemení), alebo v prechodovom stave (teplota sa mení v závislosti na čase).
Analýzy prúdenia vyhodnocujú pohyb kvapalín a plynov okolo výrobkov a cez výrobky, pričom počítajú teplotu, tlak, rýchlosť prúdenia a víry. 

Obr.: štúdia prietoku tekutiny turbínového motora v Creo.

Ako to funguje

Štyri hlavné vstupy pre štrukturálne, modálne, tepelné analýzy a pre analýzy prúdenia sú:
1. Sieť prvkov.
2. Vlastnosti materiálu.
3. Obmedzenia - Okrajové podmienky.
4. Zaťaženia.

Sieť predstavuje fyzický objekt, ktorý sa má analyzovať. Keďže väčšina modelov a zostáv je príliš zložitá na to, aby sa dali riešiť analyticky, pomocou známych vzťahov a ich postupných úprav, preto sa na výpočet, nájdenie správneho riešenia využívajú numerické metódy, ktoré využívajú prístup „Rozdeľuj a panuj“ (Divide-and-conquer algorithm). CAE simulačné nástroje rozdeľujú objem 3D modelu na menšie prvky – štvorsteny (tetrahedra), obdĺžniky (blocks) a kliny (wedges), čím vytvárajú jeho sieť. Uzly (rohy) týchto prvkov sa používajú na vytvorenie „matice tuhosti“ modelu.

Materiálové vlastnosti popisujú, ako objekty v reálnom svete reagujú na zaťaženie. Medzi všeobecné materiálové vlastnosti pre CAE simulácie sa zahŕňajú hustota materiálu, Youngov modul, Poissonová konštanta, koeficient tepelnej rozťažnosti, tepelná vodivosť a špecifická tepelná kapacita.

Obmedzenia (okrajové podmienky) predstavujú hraničné podmienky reálneho sveta, v ktorých je fyzický objekt držaný dole, alebo napríklad môžu to byť aj podmienky okolia, ako je teplota.

Obmedzenia pre štrukturálne analýzy bránia pohybu objektu.

Obmedzenia pre tepelné analýzy zahŕňajú známe teploty a podmienky prechodu tepla.

Modálne analýzy môžu mať obmedzenia, ale nemusia. Analýzy prúdenia potrebujú mať definovaný výstupný tlak a aspoň jeden vstupný stav, ako je tlak, hmotnostný prietok, alebo rýchlosť prúdenia.

Všetky obmedzenia sú nevyhnutné, pretože umožňujú zredukovať rovnice z matice tuhosti na riešiteľný počet premenných.

Zaťaženia simulujú skutočné podmienky reálneho sveta, ktoré očakávate od Vášho produktu. Štrukturálne analýzy zahŕňajú sily, momenty, tlak, gravitáciu a odstredivé zrýchlenie. Pre tepelné analýzy a analýzy prúdenia definujeme zaťaženie ako je tepelné prúdenie a  teplotný tok.

Po zadaní týchto štyroch vstupov je možné spustiť analýzu. Potom môže užívateľ  generovať číselné a grafické výsledky na určenie faktorov a limít bezpečnosti. Tieto hodnoty určujú, či sa produkt nepoškodí, alebo bude potrebovať prepracovanie.

Aký to má prínos.

CAE simulácie poskytujú Vášmu vývojovému oddeleniu produktov nástroje, ktoré umožnia rýchlejšiu dodávku produktu na trh a v nižšej cene:

• Dokončenie prvotného, podrobného návrhu s menším počtom opakovaní.
• Generovanie kvalitných prototypov, ktoré Vám umožnia presnejšie a kvalitnejšie overenie v prevádzke.
• Zníženie počtu testovacích programov.

Používanie virtuálneho prototypu produktu smeruje k skráteniu času vývoja, zníženiu výrobných nástrojov, materiálu a nákladov. Oveľa spoľahlivejšie produkty vedú k vyššej spokojnosti zákazníkov, nižším potrebám servisu a zníženiu nákladov na záruky výrobcu.

Keď som navrhoval drony v Amazone, CAE simulačné nástroje nám umožnili vybrať medzi rôznymi alternatívami návrhov bez toho, aby sme museli vytvárať a testovať všetky prototypy. Umožnili nám tiež navrhnúť konštrukčné komponenty, ktoré nerezonovali na našich motorových frekvenciách.

Rakúsky výrobca športových áut a motocyklov, KTM, uvádza o 15% skrátený čas  uvedenia výrobkov  na trh a o 10% zníženie spotreby paliva, práve použitím CAE simulačných nástrojov.

Môže Vám CAE simulácia pomôcť?

Ak ešte nepoužívate CAE simulácie vo svojich pracovných postupoch a procesoch, budú Vám chýbať vyššie popísané výhody. Horšie je, že tie výhody poskytnete svojím konkurentom. Ak máte cieľ vyrábať lepšie produkty, zlepšiť plán a rozpočet pri výrobe, mali by ste ako prvé začať využívať práve CAE simulačné nástroje.

Lepšie a rýchlejšie výsledky, jedine so simuláciou riadeným návrhom.

Spoločnosti, ako tá Vaša, začleňujú CAE simulácie do svojej každodennej práce. 

Krátka video ukážka práce s Creo Simulation Live - Prúdenie