Współczesny trend dążenia do zrównoważonego rozwoju stawia producentom ciężkiego sprzętu coraz większe wyzwania związane z projektowaniem produktów, zarówno w zakresie trwałości jak i wydajności pracy w różnorodnych warunkach. Tradycyjne metody projektowania, oparte głównie na testach fizycznych, często stają się niewystarczające w obliczu rosnącej złożoności wymagań branży. Zastosowanie zintegrowanego, multidyscyplinarnego środowiska symulacyjnego od Altair rewolucjonizuje proces tworzenia produktu, pozwalając wykonywać wirtualne testy i optymalizować jego wydajność na etapie koncepcyjnym. Dzięki projektowaniu opartemu na symulacji, już we wczesnych fazach projektu możliwe jest badanie pełnej dynamiki maszyny – od analizy ruchu po pełne sprawdzenie trwałości w cyklu życia.
Projektowanie sprzętu ciężkiego
Ciężki sprzęt budowlany działa w zróżnicowanych, często trudnych warunkach i stale poddawany jest ekstremalnym obciążeniom. Dobrym przykładem takich maszyn są koparki, które muszą sprostać pracy w wielu zastosowaniach takich jak kopanie, ładowanie, podnoszenie, łamanie czy zrywanie.
Tradycyjne metody projektowe nie zawsze uwzględniają nieplanowane siły i obciążenia oraz ich charakterystykę w określonych warunkach pracy. Zastosowanie technologii symulacyjnej pozwala na pokonanie tych ograniczeń, umożliwiając bardziej precyzyjne analizy i optymalizację projektów. Dzięki pracy w zintegrowanym środowisku projektancii analitycy mogą współpracować i tworzyć niezawodne projekty dostosowane do wymagań certyfikacyjnych i środowiska pracy, jednocześnie redukując liczbę iteracji rozwojowych.
Zaawansowane funkcje symulacji, dostępne w oprogramowaniu Altair, pozwalają producentom ciężkiego sprzętu na uzyskanie realistycznych warunków obciążenia i wykorzystanie ich w celu dokładnej analizy strukturalnej, przewidywania trwałości i wytrzymałości zmęczeniowej oraz optymalizacji kinematycznej i strukturalnej maszyn.
Poniżej przybliżamy sposoby wykorzystania oprogramowania Altair w procesie optymalizacji projektowania na przykładzie średniej wielkości koparki hydraulicznej.
Wyodrębnianie realistycznych obciążeń w celu przeprowadzenia szczegółowej analizy
Niezależnie od tego, czy przeprowadzana jest analiza strukturalna, wytrzymałościowa, zmęczeniowa czy zmniejszająca masę konstrukcji, dokładne odzwierciedlenie obciążeń jest kluczem do uzyskania najbardziej realistycznych wyników symulacji.
Altair® Inspire™ dostarcza intuicyjnych narzędzi, dzięki którym można wykonać kompletne procesy multifizyczne i analityczne w celu przewidywania obciążeń maszyny. Program pozwala definiować na wirtualnych modelach kluczowe punkty, takie jak połączenia i siłowniki, przygotowując projekt do różnych typów analiz, niezbędnych do uzyskania realistycznych wyników.
Poniższa grafika prezentuje podstawowe przypisanie ruchu, potrzebne do weryfikacji początkowej konfiguracji oraz kinematyki koparki.
Utworzony z pomocą Inspire projekt, wraz ze wszystkimi niezbędnymi połączeniami, można następnie zastosować w celu utworzenia modelu kinematycznego i zbadania profilu ruchu. W tym celu warto wykorzystać dostępny w ramach jednostek Altair Units program MotionSolve®, co pozwoli ograniczyć tworzenie kosztowych prototypów i liczbę testów fizycznych.
Po wykonaniu analizy ruchu i uzyskaniu wyników dotyczących obciążeń w kolejnym kroku można przeprowadzić analizy 1 i 3D (ruch, struktura, hydraulika, gleba/teren) w oparciu o platformę integracyjną Altair® Activate®. Pozwala ona łączyć się z innymi narzędziami w ramach środowiska symulacyjnego Altair, ułatwiając dostosowanie ruchu i parametrów projektowanej maszyny w celu osiągnięcia pożądanej wydajności.
Model koparki został uruchomiony z uwzględnieniem obciążeń nałożonych dla każdego wysięgnika, ramienia i łyżki oraz obrotu kabiny. Taka konfiguracja posłużyła za punkt odniesienia do weryfikacji działania modelu hydraulicznego. Gdy model w Activate był gotowy, przeprowadzono test wydajności hydraulicznej koparki i zbadano ją pod kątem wcześniej zdefiniowanych parametrów.
W procesie optymalizacji ciężkiego sprzętu warto także sięgnąć po Altair® EDEM™ – oprogramowanie oparte na analizie metodą elementów dyskretnych (DEM). Jego zastosowanie pozwala dokładnie prześledzić interakcje maszyn z materiałami sypkimi, takimi jak gleby, skały czy rudy, w różnych warunkach pracy. Wykorzystanie EDEM wspiera uzyskanie optymalnych projektów dostarczając informacji o realistycznych obciążeniach materiałowych w analizie elementów skończonych i symulacjach typu multi-body.
Przewidywanie trwałości i wytrzymałości zmęczeniowej ciężkiego sprzętu
Po zaimportowaniu geometrii CAD do Inspire oraz określeniu realistycznych obciążeń dla modelu można dokonać rzeczywistych prognoz trwałości i zmęczenia. Takie zastosowanie pozwala zrozumieć potencjalny cykl życia maszyny.
W omawianym poniżej przykładzie obserwowano równolegle hydraulikę ramienia koparki, wpływ obciążeń na działanie maszyny oraz interakcję między sprzętem a glebą. Wszystko, by dostarczyć informacji o wytrzymałości koparki.
Wykorzystanie Altair HyperLife™ pozwoliło przewidzieć trwałość zmęczeniową i wytrzymałość sprzętu przy założeniu wielu powtarzających się obciążeń charakterystycznych dla przemysłu ciężkiego. Zamiast polegać wyłącznie na danych z testów fizycznych, analitycy porównali podstawowe informacje pozyskane podczas typowej operacji załadunku ciężarówki z wirtualnymi wynikami uzyskanymi w symulacji.
Zastosowany został scenariusz załadunku ciężarówki, podczas którego koparka wykonała ruch polegający na wyciągnięciu ramienia w celu zebrania piasku z podłoża wygenerowanego w programie EDEM, a następnie obróciła się, aby załadować materiał na przyczepę ciężarówki. Ta współsymulacja dostarczyła ważnych wyników dotyczących tego, które obszary koparki doświadczały największych naprężeń podczas ruchu załadunkowego. Na podstawie przeprowadzonej analizy zidentyfikowano miejsca uszkodzeń zmęczeniowych na ramieniu maszyny, głównie na spawach i w okolicy otworów na śruby.
Wykorzystanie optymalizacji strukturalnej do zapewnienia wydajności przy redukcji ilości materiału
Posiadając dane o dokładnych obciążeniach można również przeprowadzić optymalizację strukturalną konstrukcji, która pozwoli zmniejszyć ilość zużytego materiału przy jednoczesnym zapewnieniu najwyższej wydajności maszyny. Dzięki nowoczesnym technikom optymalizacji możliwe jest odejście od projektowania tradycyjnie wyglądającego ciężkiego sprzętu, przy jednoczesnym zastosowaniu wszystkich typowych ograniczeń produkcyjnych. W praktyce przekłada się to na ograniczenie liczby propozycji tylko do realnie osiągalnych projektów.
Optymalizacja topologii pozwala tworzyć naturalne, organiczne kształty, spełniające wymagania dotyczące wytrzymałości i sztywności przy minimalnym zużyciu materiału. Poniżej zaprezentowano porównanie różnych kształtów i propozycji projektów optymalizacyjnych wraz z informacją o redukcji masy ramienia koparki wykonane w Altair Inspire:
Rozwiązanie dla trwałości i optymalizacji wydajności
Z uwagi na duże obciążenia oraz ekstremalne warunki jego pracy projektowanie ciężkiego sprzętu jest szczególnie wymagające. Altair oferuje kompletne środowisko symulacyjne spełniające wymogi stawiane przez producentów ciężkiego sprzętu. Projektanci mogą szybko tworzyć modele 1D za pomocą narzędzia Altair® Activate, aby zbadać ogólne zachowanie produktu przed przeprowadzeniem bardziej szczegółowej analizy modelu. Wykorzystanie Altair® MotionSolve® pozwala z kolei wykonać symulację typu multi-body w celu modelowania dynamicznej reakcji mechanizmów – w tym integracji systemu sterowania. Dodanie do procesu analizy z Altair® EDEM™ umożliwia dodatkowo zwiększenie dokładności symulacji dzięki dostępowi do wysokiej jakości informacji o obciążeniach powstałych w wyniku pracy z materiałami sypkimi.
Narzędzia symulacyjne Altair pozwalają na szybkie badanie i analizę wydajności produktu, uwzględniając obciążenia zmęczeniowe i udarowe. Zastosowanie kompletnego podejścia wielofizycznego w połączeniu z analizą nieliniową oraz analizą ruchu ułatwia odrzucenie projektów o niskim potencjale już na wcześniejszym etapie cyklu rozwojowego.
Zebranie wyników z różnego typu symulacji i analiza ich wyników w spójnym środowisku jest nie tylko oszczędnością czasu i kosztów rozwoju, ale przede wszystkim kluczem do optymalizacji wydajności i trwałości sprzętu.
Artykuł powstał w oparciu o dokumenty techniczne firmy Altair.
