Мениджмънт

Ефективност на инженерните анализи

CIO Media

Проф. д-р инж. Георги Тодоров, д-р инж. Константин Камберов, инж. Цветозар Иванов, инж. Борислав Врабевски, CAD/CAM/CAE лаборатория, МТФ, ТУ-София

Интензивното развитие на компютърната технология доведе до разширяване на възможностите на инженерните анализи по посока на точност и комплексност на изследваните физични задачи – както по отношение на геометричната сложност и брой на елементите, така и в посока на моделиране на мултифизични взаимосвързани проблеми.

Инженерните анализи са основен елемент от създаването на виртуалния прототип и имат следните основни цели:

  • Да пресъздадат поведението на разработвания обект в работни условия на възможно най-ранен етап;

  • Да намалят времето за разработка на изделието, като спестят изготвянето на физични прототипи;

  • Да оценят конкретни физични величини (често пъти тези величини трудно могат да бъдат пряко определени въз основа на физическо моделиране);

  • Да позволят развитието на нови, подобрени варианти, въз основа на изходната конструкция (оптимизация).

Създаденият и все по-широко използван CAD/CAE инструментариум се основава на т.нар. „виртуално прототипиране”, което се състои в използването на компютърен тримерен модел с ниво на функционален реализъм, близко до това на физическия модел. “Дигиталната структура” на виртуалния модел съставлява едно от важните му предимства. Това е качество, което в комбинация със съвременната компютърна техника, позволява ревизиране, валидиране и оптимизация на продукта по един много бърз, икономичен и ефективен начин [1, 2].


Извършването на инженерни анализи, както и ползването на специализиран инструментариум, изисква специфични познания в съответна инженерна област. Това изискване се задълбочава с развитието на възможностите на хардуера и софтуера, но същевременно се създават програмни системи, които да позволят решението на редица конвенционални проблеми директно от конструкторите [3].

Основният мотив за интензивното развитие на тази симулационна технология е увеличаване на ефективността й не само чрез намаляване времето за достигане до пазара на разработваният продукт, но и чрез постигане на омптимални инженерни решения, отразяващи се на финансовата ефективност. Това е демонстрирано и в следващите няколко примера на индустриално приложение на инженерни анализи.

Пример 1: Структурен анализ на многокомпонентна заварена структура

Демонстриран е пример от проверочен инженерен анализ на трансманипулатор, част от система за съхраняване на лодки (фиг. 2). Трансманипулатора се състои от заварена конструкция на основно тяло и такава на подвижна карета с изнасящи се телескопични вилици за манипулация на товара.

Проведеният структурен силово-деформационен анализ на цялата конструкция даде възможност да се определят работните напрежения и деформации, които по-късно да бъдат ползвани като основа за анализ на умора.

Резултатите от последвалият анализ на умора показват недостатъчен ресурс от работни часове за едно от звената – телескопичните вилици. В резултат на проведената оптимизация на конструкцията е подобрено поведението при работните натоварвания и е постигнато съответствие на изискванията за този тип съоръжения (фиг. 3).

Ефектът от използването на инженерни анализи на етапа на проектиране на изделието бе спестени разходи по физическо прототипиране и време за изпитване на съоръжението за съответствие на нормите.



Ефективност на инженерните анализи

© CIO Media, Cio.bg


Пример 2: Структурен анализ на динамично високонатоварена структура

Този пример се отнася до изследване и оптимизация на динамичното поведение на напречен модул от машина за визуална инспекция, носещ фотоглава за снемане на изображения на разполагането на компоненти върху електронни платки. Той е динамично високонатоварен, поради изискваната висока производителност. Това изисква намирането на оптимално съотношение коравина/собствено тегло (фиг. 4). Изходната съществуваща конструкция ползва затворен стоманен профил за постигане на нужната коравина, който обаче има високо собствено тегло и натоварва задвижването.

Изследвана е изходната конструкция по отношение на коравината й в надлъжната ос на машината, както и като динамично поведение (собствени честоти). Вследствие на проведената оптимизация е постигната конструкция, ползваща носещ компонент стоманена плоча, имаща висока коравина в работните за нея посоки и ниско собствено тегло (фиг. 5).

Ефектът от използването на инженерни анализи е намаляване на собственото тегло 1,5 пъти и увеличаване на коравината с 25%. По този начин е подобрено динамичното поведение на структурата, като допълнителни ефекти са постигането на по-технологична конструкция (без заварки) и същевременно е намален общият брой конструктивни компоненти.



Ефективност на инженерните анализи

© CIO Media, Cio.bg


Пример 3: Термофлуиден анализ на конвективен модул

Често инженерните анализи се отнасят до пресъздаване на мултифизичен проблем, какъвто е изследваният при конвективен модул за фурна за обработка на компоненти за микроелектрониката (Reflow oven). При този тип оборудване се изисква максимална равномерност на нагряването при спазване на конкретен термодинамичен профил (фиг. 6).

Конкретният пример разглежда определяне на конструктивни параметри за конвективен модул чрез серия от термофлуидни анализи. Съпоставени са различни варианти на комбинация на параметрите диаметър на дюзата и стъпка между дюзите при константни разстояние до платката и дебит. Използвана е максимално възможността за бързо изготвяне на виртуални прототипи и тяхното изследване, което води до намаляване общото време за разработка (фиг. 7).


Ефективност на инженерните анализи

© CIO Media, Cio.bg


Ефектът от използването на инженерни анализи в този случай е намаляване на неравномерността на нагряване на обработваният продукт. Резултатите позволяват подробно анализиране на протичащия физичен процес посредством параметри, които трудно биха могли да бъдат определени експериментално.

В заключение

Разгледаните примери за проведени индустриални инженерни анализи са част от широкия спектър на приложимост, който дава възможност да се изследва всеки един процес в дълбочина и да се достигне до значително подобрено или оптимално решение. Технологията на виртуалното прототипиране и непрекъснато увеличаваните възможности на изчислителната техника предоставят възможности за бързо и ефективно решение на такива задачи.

Друга тенденция е да се автоматизира максимално процеса по решаването на този тип задачи, като се намалят изискванията към познанията на инженера както в областта на физичните проблеми, така и в познаването на инструментариума. Това обаче е приложимо към конвенционален тип задачи и остават ред кръг проблеми, чието решение изисква тези познания. В повечето случаи това се отнася до специфични и/или мултифизични анализи (например механични контактни, динамични ударни, термоелектрически, флуидни и термофлуидни и др. задачи), както и при дефиниране на специфични като условия задачи.

В заключение може да се посочи, че инженерните анализи от индустриалната практика на авторите демонстрират много висока ефективност по отношение на постиганите технически параметри, на редуциране на разходите по разработката като цяло и на съществено намаляване времето за достигане до пазара на новите продукти като се постига повишаване на конкурентноспособността им.

Поради увеличаваща се степен на автоматизация и обхват на инженерните анализи, те стават все по интегрирана и неделима част от процеса на разработване на всеки конкурентноспособен и иновативен продукт.

Благодарности:

Това изследване е осъществено по проект ДУНК-01/3 на Фонд „Научни Изследвания” при Министерство на Образованието, Младежта и Науката, България.

Референции:

[1] Law, A.M. (2007). Simulation Modeling and Analysis, 4th edition, McGraw-Hill, New York

[2] Gay, D.; Gambelin, J. (2008). Modeling and Dimensioning of Structures, Wiley, Great Britain

[3] Park, G.-J. (2007). Analytic Methods for Design Practice, Springer, London


X