3DEXPERIENCE: Zmęczony procesem projektowania sekwencyjnego? Co by było gdyby…

Bez względu na podejście do tematu testowania produktów, czy to wirtualnie w drodze symulacji wytrzymałościowych, czy w oparciu o próby w rzeczywistości, naturalnie rozważa się wiele wariantów danego projektu. Analizie poddaje się wytrzymałość statyczną, zmęczeniową, nieraz odpowiedź na wymuszenia dynamiczne próbując równolegle dojść do wniosków jakie przypadki są wymiarujące i jak szybko spowodują zniszczenie konstrukcji.

Nie jest to proste zadanie. Tym bardziej, że przy testach wirtualnych mając zdefiniowane wiele scenariuszy obciążenia, więcej niż jedną siatkę dyskretyzacją oraz różne warunki umocowania, zbieranie i analizowanie wszystkich danych oraz wyników może być zniechęcające i czasochłonne. Bardzo często dzieje się tak, gdy narzędzia do projektowania i analiz wytrzymałościowych nie są asocjatywne, lub są mocno ograniczone w funkcjonalnościach.

W ostatnich latach pojawił się na rynku mocny gracz, będący następcą SOLIDWORKS 3D CAD i integrujący wszystko, co najlepsze w jego dodatkach. Mowa w tym miejscu o platformie cyfrowej 3DEXPERIENCE. Rozwiązanie to zawiera między innymi zbiór najlepszych w swojej klasie aplikacji symulacyjnych, zbudowanych przy użyciu wiodącej w branży technologii, w tym ABAQUS i fe-safe! Mimo znacznego postępu w zakresie CAD, CAM, CAE i PLM, platforma wciąż czerpie (i czerpać nie przestanie) z pewnych i sprawdzonych rozwiązań, jak uwielbiany przez działy konstrukcyjne interfejs SOLIDWORKS.

Przypuśćmy, że pracujemy nad dużym projektem… niech będzie to dla potrzeb przykładu łódź podwodna NEMO. Koszt jednostkowy wspomnianej konstrukcji w momencie pisania artykułu wynosi około 600.000$. Ogromne koszty inwestycyjne związane z przedsięwzięciem produkcji tak nowoczesnych wynalazków często jednak nie przewyższa kosztów operacyjnych związanych z wytwarzaniem złożeń, czy pojedynczych części dużo bardziej „przyziemnych”. Będąc tego świadomym zauważa się potrzebę szybkiej i pewnej weryfikacji projektu, optymalizacji i bezproblemowego przepływu pracy wewnątrz przedsiębiorstwa.

Rys. 1 Łódź podwodna NEMO w SOLIDWORKS

Przy głębokości znamionowej wynoszącej 100 metrów bardzo ważne jest, aby komora baterii była w stanie wytrzymać ciśnienie odpowiadającej tej głębokości. Jednocześnie w miarę możliwości należy zmniejszyć wagę i koszty związane z wytworzeniem wspomnianej komory. Weźmiemy tym samym pod uwagę grubość stalowej rury oraz dosztywnień ze stali AISI 316 w badaniu optymalizacyjnym.

Rys. 2 Komora baterii łodzi podwodnej NEMO

Analizę rozpoczynamy w oprogramowaniu SOLIDWORKS. To tutaj, jeszcze przed przejściem na platformę, możemy zdefiniować parametry będące zmiennymi w następnej analizie. 3DExperience, dzięki silnej asocjatywności z desktopowym softwarem, automatycznie wychwyci wprowadzone przez użytkownika dane tworząc most parametryczny, który pokaże nam się w drzewku operacji po lewej stronie na rozwiązaniu chmurowym.

Rys. 3 Definicja parametrów w SOLIDWORKS

Import modelu CAD odbywa się bez żmudnego procesu importowania poprzedzonego eksportem z SOLIDWORKS. Przesłanie na platformę realizowane jest przy wykorzystaniu konektora/łącznika dostępnego po prawej stronie dodatku. Bezpośrednio z interfejsu SW możemy też uruchomić dowolną aplikację chmurową. W tym przypadku, zaczniemy od tworzenia siatki dyskretyzacyjnej.

Rys. 4 Panel platformowy dostępny w SOLIDWORKS
W ramach platformy cyfrowej 3DExperience mamy dostęp do najbardziej zaawansowanych technik, metod siatkowania oraz zaawansowanych formuł elementów skończonych. Mając na uwadze cienkościenną naturę naszego komponentu, siatka została utworzona w drodze automatycznej dyskretyzacji, która wykorzystuje metodę samoczynnego wyszukiwania powierzchni środkowych. Tym samym zazwyczaj żmudny proces tworzenia modelu dyskretnego redukuje się do dwóch kliknięć. Opisywana metoda jest jednym z wielu algorytmów mających na celu uproszczenie pracy inżyniera analityka.

Rys. 5 Model dyskretny korpusu baterii

Zacznijmy od szybkiej analizy statycznej mającej na celu weryfikację projektu wstępnego. Można przybliżyć, że na głębokości 100m na komorę działa ciśnienie wynoszące około 1MPa. Na pierwszy rzut oka widać, że konstrukcja jest przewymiarowana. Celem optymalizacji komory wybierzemy aplikację „Parametric Design Study” pozwalająca na bezproblemowe „wychwycenie” parametrów zdefiniowanych po stronie SOLIDWORKS oraz ich sukcesywną modyfikację w celu znalezienia komponentu optymalnego.

Rys. 6 Analiza statyczna

Rys. 7 Kompletne okno badania optymalizacyjnego. Dzięki szerokiej funkcjonalności użytkownik ma możliwość eksportu obiektu stowarzyszonego z dowolnym scenariuszem.

Obciążenia ciśnieniowe w komorze baterii występuje wielokrotnie przez cały okres eksploatacji NEMO. Innym powtarzającym się stanem obciążenia jest wytężenie na które składa się kontakt tarciowy oraz zderzenie z podłożem podczas przechowywania/przeładowywania. Aby zasymulować ten drugorzędny stan którego doświadcza konstrukcja zostało utworzone badanie dynamiczne explicit, aby móc dokładnie wychwycić szybko zmieniające się naprężenia przy uwzględnieniu efektów bezwładnościowych. Na tym etapie może paść pytanie o sposób modelowania kontaktu z podłogą. Dzięki potężnej technologii obliczeniowej od Abaqus, możemy pozostawić ten problem solwerowi tworząc jedną, ogólną interakcję kontaktową. Wyróżnikiem platformy cyfrowej jest możliwość przesłania obliczeń do chmury – tym samym użytkownik nie musi martwić się koniecznością posiadania dobrej stacji roboczej.

http://www.dpstoday.pl/wp-content/uploads/2023/02/3dexperience-analiza-explicit.mp4

Video 1 Analiza explicit stowarzyszona z przypadkiem obciążeń podczas przechowywania/przeładowywania

Wartości naprężeń mieszczą się w oczekiwanym zakresie, ale ile razy rozważana łódź podwodna może wytrzymać zarówno opisywanych wyżej przypadków załadowań jak i obciążenie ciśnieniem? Aby odnaleźć odpowiedź należy w tym miejscu zdefiniować badanie zmęczeniowe, które obejmie oba zdarzenia. W przypadku wyników badania dynamicznego wybrano wszystkie przyrosty (ang. increments), aby uwzględnić naturalne fluktuacje odpowiedzi konstrukcji.

Rys. 8 Logarytmiczna mapa żywotności konstrukcji

Na koniec rozważymy ostatni przypadek obciążenia konstrukcji. Odpowiada on sytuacji, w której popłyniemy zbyt głęboko. Korzystając przypadek obciążenia z pierwszego scenariusza zdefiniowany został krok wyboczenia Riksa, który jest nieco bardziej „rozbudowaną” wersją względem klasycznej analizy liniowej utraty stateczności (w wyniku której otrzymujemy zapasy stateczności dla konstrukcji w postaci wartości własnych). Krok Riksa jest dobrym rozwiązaniem w przypadku, kiedy badać chcemy badać postkrytyczny zakres pracy. Nie wymaga on przygotowania bardziej złożonej analizy dynamicznej. W ramach bogatego postprocessingu możemy bezproblemowo utworzyć wykres współczynnika obciążenia. Współczynnik ten wskazuje ile razy musi zostać zwiększona wartość przyłożonego obciążenia aby osiągnąć stan odpowiadający danemu punktowi na ścieżce bifurkacji.

http://www.dpstoday.pl/wp-content/uploads/2023/02/3dexperience-analiza-utraty-statecznosci-riksa.mp4

Video 2 Analiza utraty stateczności Riksa

Platforma cyfrowa 3DEXPERIENCE niewątpliwie otwiera drzwi na podejmowanie świadomych, pewnych i terminowych decyzji w zakresie wytrzymałości konstrukcji oraz niezbędnych certyfikacji. Intuicyjność obsługi oprogramowania na etapie pre-, jak i postprocessignu pozwala na skrócenie czasu pracy analityka, co realnie przekłada się na skrócenie czasu potrzebnego na wprowadzenie gotowego produktu na rynek.

Post: 3DEXPERIENCE: Zmęczony procesem projektowania sekwencyjnego? Co by było gdyby…